JP4719906B2 - Field effect transistor device for ultrafast nucleic acid sequencing - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第119条(e)に基づき、「超高速の半導体に基づいた遺伝子配列決定("Ultra-Fast, Semiconductor-Based Gene Sequencing")」という名称のジョン R.ザウアー(Jon R. Sauer)らの米国特許仮出願、第60/199,130号、出願日2000年4月24日、「DNA配列決定用電荷検知および増幅装置("Charge Sensing and Amplification Device for DNA Sequencing")」という名称のバート ヴァン ゼーブロック(Bart Van Zeghbroeck)らの米国特許仮出願、第60/217,681号、出願日2000年7月12日、および「DNA配列決定用電荷検知および増幅装置("Charge Sensing and Amplification Device for DNA Sequencing")」という名称のジョン R.ザウアー(Jon R. Sauer)らの米国特許仮出願、第60/259,584号、出願日2001年1月4日の利益を主張し、米国特許法第120条に基づき、「超高速核酸配列決定装置ならびにそれを製作および使用するための方法("An Ultra-Fast Nucleic Acid Sequencing Device and a Method for Making and Using the Same")」という名称のジョン R.ザウアー(Jon R. Sauer)らの米国特許非仮出願(non-provisional application)、第09/653,543号、出願日2001年8月31日の利益を主張するものであり、本出願はその一部継続出願で、上記仮出願および非仮出願の双方の全内容は参照により本明細書に援用されている。
発明の背景
発明の分野
本発明は、炭水化物、タンパク質のような長鎖ポリマーの個々の構成要素(mers)およびデオキシリボ核酸(DNA)またはリボ核酸(RNA)の個々の塩基を識別するための検出領域を有する半導体装置を使用するシステムおよび方法ならびに半導体装置を製作するための方法に関する。特に、本発明は、DNA/RNA鎖の塩基を識別し、これにより対象となる鎖の配列決定を可能にすることができる電界効果トランジスタ装置と同様の半導体装置を使用するシステムおよび方法に関する。
関連技術の説明
DNAは、共通の軸の周りを巻いている2つの非常に長いらせん状のポリヌクレオチド鎖からなる。二重らせんの2つの鎖は反対の向きになっている。2つの鎖は、アデニン(A)、チミン(T)、グアニン(G)およびシトシン(C)からなる対の塩基間の水素結合によってまとめられている。アデニンは常にチミンと対になり、グアニンは常にシトシンと対になる。それゆえ、二重らせんの一方の鎖はもう一方と相補的である。
【0001】
遺伝情報は、DNA鎖に沿った塩基の具体的な配列において暗号化される。通常の細胞においては、遺伝情報はDNAからRNAへ渡される。RNA分子の大部分は一本鎖であるが、大部分は鎖がヘアピン状の構造に折れることから生じる広範囲の二重らせん領域を含む。
DNA配列のマッピングは、ヒトゲノム計画によって具体化される新時代の遺伝子に基づく医療の一部を成している。この計画の尽力によって、いつか医者は個人の遺伝子の構成に基づいて治療をその人に合ったものにすることができるであろうし、出生前に遺伝子の欠陥を修正することさえできるかもしれない。しかしながら、この課題を達成するためには各個人のDNAを配列決定することが必要となる。ヒトゲノム配列の差異はおよそ0.1%であるが、この小さな差異が個人の種々の病気に対する素因を理解するのに重要である。近い将来には、医療が「DNA的に個人化(DNA personalized)」され、医師は今日のコレステロール検査を手配するのと全く同じくらい容易に、配列情報を手配するようになると考えられる。したがって、このような発展を日常生活において用いられるようにするために、より高速で経済的なDNA配列決定方法が求められる。
【0002】
DNA配列決定を行う1つの方法は、米国特許第5,653,939号に開示されており、その全内容は参照により本明細書に援用されている。この方法は、半導体基板のような基板上に形成されたテストサイトのモノリシックアレイを使用する。各テストサイトは、所定の標的分子構造と結合するようになっているプローブを含んでいる。テストサイトでのプローブへの分子構造の結合は、テストサイトの電気的、機械的および光学的特性を変化させる。したがって、テストサイトに信号が与えられると、各テストサイトの電気的、機械的および光学的特性を測定して、どのプローブがそれぞれの標的分子構造と結合したのかを決定することができる。しかしながら、テストサイトのアレイは製造するには複雑で、種々のタイプの標的分子構造を検出するための多数のプローブを用いなければならないため、この方法は不利である。
【0003】
配列決定の別の方法は、ゲル電気泳動として公知である。この技術では、DNAを分解して1つの鎖にして4つのヌクレオチドのうちの1つ、例えばAを破壊する化学物質に露出し、これにより、Aで終わり、反対側の一端で標識されたDNA断片のランダムな分布を有する鎖を生成する。他の3つの残りの塩基について同じ手続きを繰り返す。DNA断片は、ゲル電気泳動によって長さに応じて分けられる。長さは標識された端から既知の塩基への距離を示し、対象範囲にギャップがなければもとのDNA鎖断片の配列が決定される。
【0004】
このDNA配列決定方法は、それと関連する欠点を多く有している。この技術ではおよそ500の塩基の読取りしかできない。なぜなら、それより多くの塩基を含むDNA鎖だと「丸まって」しまい、正しく読取ることができないからである。また、鎖の長さが長くなると長さ決定の分解能が急激に低下し、このことも同様に鎖の解析を500塩基長までに制限する。加えて、ゲル電気泳動は非常に時間がかかり、複雑な有機体のゲノムの配列決定という課題に対しては有効な解決手段ではない。さらに、電気泳動の前の準備および後の解析は、本質的に費用および時間がかかるものである。したがって、より高速で、一定していて、より経済的なDNA配列決定のための方法が求められている。
【0005】
DNA配列決定への別のアプローチは、米国特許第5,795,782号および第6,015,714号に記載されており、それらの全内容は参照により本明細書に援用されている。この技術では、2つの液体がアルファヘモリシン(アルファ溶血素)孔(alpha hemolysin pores)を有する生体膜によって分離される。DNAが膜を通過すると、孔を通るイオン電流が遮断される。実験によって、孔を通るイオン電流が遮断される時間の長さはDNA断片の長さと比例することが示されている。さらに、遮断の量および速度は、どの塩基が孔の最も狭い部分にあるかに依存する。このため、これらの現象から塩基配列を決定できる可能性がある。
【0006】
この技術の問題には、これまでのところ個々のヌクレオチドを区別できないということがある。また、個々のヌクレオチドの空間的な向きを見分けることは困難である。さらに、電荷の流れを測定する電極が孔からかなり離れており、このことが測定の精度に悪影響を及ぼす。これは、大部分は、電流検知電極の特有の静電容量と、少量の電流の検知における統計的変動が大きいこととによるものである。さらに、特有のショットノイズなどのノイズ源が信号を歪ませ、さらなる誤差を招く。したがって、塩基がシーケンサを通過するときにそれらを判別する、より感度の高い検出システムが求められている。
発明の要旨
本発明の目的は、DNAまたはRNAの個々の塩基を正確かつ有効に識別するためのシステムおよび方法を提供することである。
【0007】
本発明の別の目的は、DNAまたはRNAの個々の塩基を配列決定するための半導体装置を使用するシステムおよび方法を提供することである。
本発明のさらなる目的は、半導体に基づいたDNAまたはRNA配列決定装置を製造するための方法を提供することである。
本発明の別の目的は、正確かつ有効に、炭水化物またはタンパク質のような長鎖ポリマーの個々の構成要素を識別し、かつ長鎖ポリマーの長さを測定するためのシステムおよび方法を提供することである。
【0008】
本発明のさらに別の目的は、DNAまたはRNA分子がシーケンサにおいて開口部を通過する位置で電荷を測定することによってDNAまたはRNAの塩基を正確かつ有効に識別するための、中に開口部を有する半導体に基づいた装置を使用するシステムおよび方法を提供し、これにより、開口部を通るDNAまたはRNA分子のランダムな動きと関連するショットノイズなどのノイズ源の影響を排除または少なくとも最小化することである。
本発明のこれらおよび他の目的は、核酸鎖の核酸配列を決定するためのシステムを提供することによって、実質的に達成される。このシステムは、検出領域の近くの核酸鎖の構成要素を表す電荷を検出するようになっている少なくとも1つの検出領域を有する少なくとも1つの半導体装置または絶縁および金属層の構成を含む。構成要素は核酸鎖の塩基を含むことができるので、検出領域は核酸鎖の塩基を表す電荷を検出するようになっている。検出領域はさらに、検出された電荷を表す信号を生成するようになっている。また、検出領域は、半導体装置における凹部、または核酸鎖が開口部に入るのを可能にするのに十分な断面を有する半導体装置における開口部が形成された半導体装置の領域を含むことができるので、検出領域は開口部における構成要素の電荷を検出する。さらに、半導体装置は、好ましくは少なくとも2つのドープ領域をさらに含み、検出領域は、検出領域の近くの構成要素の存在に応じて2つのドープ領域間に電流を送ることができる。
【0009】
本発明の上記および他の目的は、少なくとも1つの半導体装置の検出領域の近くに核酸鎖の一部を位置決めするステップと、検出領域において検出領域の近くの核酸鎖の構成要素を表す電荷を検出するステップとを含む、核酸鎖の核酸配列を決定するための方法を提供することによってもまた実質的に達成される。構成要素は核酸鎖の塩基を含むことができるので、検出ステップは塩基を表す電荷を検出する。方法は、検出された電荷を表す信号を検出領域において生成するステップをさらに含む。検出領域は、半導体装置における凹部、または核酸鎖が開口部に入るのを可能にするのに十分な断面を有する半導体装置における開口部が形成された半導体装置の領域を含むことができるので、検出ステップは、凹部または開口部における構成要素の電荷を検出する。さらに、半導体装置は少なくとも2つのドープ領域をさらに含むことができるので、方法は、検出領域の近くの構成要素の存在に応じて2つのドープ領域間に電流を送るステップをさらに含むことができる。
【0010】
本発明の上記および他の目的は、少なくとも1つの半導体層を含む半導体構造を提供するステップと、検出領域が検出領域の近くの核酸鎖の構成要素を表す電荷を検出するようになるように半導体構造に検出領域を作成するステップとを含む、核酸鎖の核酸配列を決定するための装置を製造するための方法を提供することによって、さらに実質的に達成される。構成要素は核酸鎖の塩基を含むことができ、核酸鎖の塩基を表す電荷を検出するために検出領域を作成することができる。方法は、検出領域が凹部または開口部における構成要素を表す電荷を検出するようになるように検出領域に対して位置決めされた、半導体構造における凹部を作成、または核酸鎖の一部が通過することを可能にするのに十分な断面を有する半導体構造における開口部を作成するステップをさらに含む。方法は、開口部の断面を小さくするために開口部を有する半導体層の壁面に絶縁層を形成するステップをさらに含むことができる。さらに、方法は、検出領域が検出領域の近くの核酸鎖の構成要素に応じてドープ領域間に電流を送るようになるように検出領域に対して位置決めされた少なくとも2つのドープ領域を半導体層に作成するステップを含むことができる。ドープ領域は、異なるドーピングを有する半導体層の部分によって分離することができ、それぞれが第1のドーピングを有し、第2のドーピングを有する層によって分離されたドープ領域の積み重ねとして作成することができる。ドープ領域は、p型またはn型ドーピングのいずれかを含むことができる。
図面の簡単な説明
本発明のこれらおよび他の目的、利点ならびに新規な特徴は、添付の図面と一緒に読むと、以下の詳細な説明からより容易に理解されるであろう。図面において:
図1は、本発明の実施形態に従って構成されたDNAまたはRNAシーケンサを含むDNAまたはRNA配列決定を行うためのシステムを図示する;
図2は、図1に示すDNAまたはRNAシーケンサの平面図を示す;
図3は、DNAまたはRNA配列のアデニン(A)、チミン(T)、グアニン(G)およびシトシン(C)塩基がDNAまたはRNAシーケンサを通過するときの、図1に示すシステムの電流検出器によって検出された電流を表す波形の例を示すグラフである;
図4は、本発明の実施形態に従って図1に示すようなDNAまたはRNAシーケンサを作製するシリコンオンインシュレータ(SOI)基板の断面図を示す;
図5は、シリコン層に形成された浅いn型領域および深いn型領域ならびに切り欠かれた基板の部分を有する図4に示すSOI基板の断面図を示す;
図6は、絶縁体の一部が切り欠かれ、別の浅いn型領域がシリコン層に形成された図5に示すSOI基板の断面図を示す;
図7は、エッチングで形成された開口部を有するSOI基板の断面図を示す;
図8は、図7に示すSOI基板の平面図を示す;
図9は、シリコン層上およびその中の開口部を形成する壁面上に形成された酸化層を有する図7に示すSOI基板の断面図を示す;
図10は、図9に示すSOI基板の平面図を示す;
図11は、シリコン層上およびその中の開口部を形成する壁面上に形成された酸化層を有する図9に示すSOI基板の詳細な断面図を示す;
図12は、図11に示すSOI基板の平面図を示す;
図13は、図7に示すSOI基板の開口部の構成例の詳細な断面図を示す;
図14は、図13に示す開口部の平面図を示す;
図15は、酸化層にエッチングされた穴および浅いn型領域と深いn型領域に接触するためにそれぞれ穴の上方に形成された金属コンタクトを有する図9に示すSOI基板の断面図を示す;
図16は、図4〜15に示す製造ステップに従って作製された図1に示すDNAまたはRNAシーケンサの断面図を示す;
図17は、本発明の別の実施形態による複数のn型領域によって形成された複数の検出器を有するDNAまたはRNAシーケンサの平面図を示す;
図18は、本発明の別の実施形態によるDNAまたはRNAシーケンサの断面図を示す;
図19は、本発明のさらなる実施形態によるDNAまたはRNAシーケンサの断面図を示す;
図20は、本発明のさらなる実施形態によるDNAまたはRNAシーケンサの断面図を示す;
図21は、図20に示すDNAまたはRNAシーケンサの平面図を示す。
【0011】
図22は、DNAまたはRNAシーケンサのマトリックス配置の例を図示する概念ブロック図である;
図23は、電子トンネリングを実現するために中間の半導体層の代わりに金属層を有するシーケンサの断面図である;
図24は、図7に示すSOI基板の開口部の別の構成例の詳細な断面図を示す;
図25は、図24に示す開口部の平面図を示す;
図26は、別個の液体領域と共に用いられる複数開口部シーケンサの断面図を示す;
図27Aおよび27Bは、半導体構造に形成された開口部パターンの写真のイメージである;
図28Aおよび28Bは、半導体構造に形成された開口部パターンの写真のイメージである。
好適な実施形態の詳細な説明
図1および2は、DNAまたはRNA、タンパク質または炭水化物のようなポリマー、あるいは石油のような長鎖ポリマーの存在を検出するための、より好ましくはポリマーまたは長鎖ポリマーの個々の構成要素およびポリマーまたは長鎖ポリマーの長さを識別するためのシステム100を図示する。システム100は、好ましくは、本発明の実施形態によるDNAまたはRNA配列決定のような核酸の配列決定を行えるようになっている。したがって、この明細書において、核酸配列決定と関連してシステム100を説明する。
【0012】
システム100は、以下により詳細に説明するように、半導体装置である核酸配列決定装置102を含む。特に、核酸配列決定装置102は、2つのドープ領域つまりドレイン領域104およびソース領域106を含む点で、MOSFETのような電界効果トランジスタに似ている。しかしながら、MOSFETとは異なり、核酸配列決定装置は以下に述べる理由のためにゲート領域を含まない。
核酸配列決定装置102は、水、ゲル、KCLなどの緩衝液、または他のあらゆる適切な溶液などの液体110を含む容器108の中に配置される。なお、溶液110は、油などの絶縁媒体または他のあらゆる適切な絶縁媒体であってもよい。さらに、容器108は液体のような媒体を含まなくてもよい。つまり、容器108は、核酸配列決定装置102が配置される真空をつくるために密封して排気することもできる。また、図1は例として容器108の中に1つの核酸配列決定装置102しか示していないが、容器は、並行して複数のDNA配列決定測定を行うための複数の核酸配列決定装置102を含むことができる。
【0013】
容器108内の液体110などの媒体または真空は、核酸配列決定装置102によって配列決定される核酸鎖または核酸鎖の部分111を含む。さらに図示するように、直流電圧源のような電圧源112が、それぞれドレインおよびソース領域104および106を介してリード線116によって電流計114に直列に結合されている。この例では、電圧源112の正のリード線はドレイン領域104に結合され、電圧源112の負のリード線は電流計114を介してソース領域106に結合されている。
【0014】
核酸配列決定装置102のドレインおよびソース領域104および106に印加される電位は、例えば約100mVと小さくてもよく、これは、核酸配列決定装置102の開口部118に核酸鎖を引き込むためにドレインおよびソース領域104および106に勾配をつくるのに十分である。つまり、核酸鎖111は、局部的な勾配によって開口部118を通って移動する。あるいはまたはさらに、液体はイオン溶液を含み得る。この場合、局部的な勾配によって溶液中のイオンが開口部118を通って流れ、このことがDNAまたはRNAのような核酸鎖111が同様に開口部118を通って移動する助けとなる。
【0015】
媒体110内に置かれてさらなる電圧源117および121に接続されたさらなる電極113および115があれば、開口部118に向かう核酸鎖の移動をさらに容易にする。すなわち、外部電極113および115は、媒体110内に電界を印加するために用いられる。この電界は、核酸鎖111などの全ての荷電した粒子が開口部118へ向けてか開口部118から離れてかのいずれかに流れる原因となる。このため、電極113および115は、核酸鎖111を開口部118の中へまたはその外へ向けるための手段として用いられる。電圧源112および117を核酸シーケンサ102に接続するために、金属コンタクト123が以下により詳細に説明するn型ドープ領域128および130に結合されている。電極113および115は、交流電圧源125によってDC電圧に重畳される高周波電圧を提供することもでき得る。メガヘルツ範囲(例えば10MHz)のような無線周波数範囲の周波数を有し得るこの高周波電圧によって、核酸鎖111およびイオンが振動する。この振動は、塩の粒がシェーカーの開口部を通過できるようにソルトシェーカーを振るのと同様の方法で、核酸鎖111がより円滑に開口部118を通るようにする。あるいは、音波発生装置のような装置127を液体110の中または他のあらゆる適切な位置に配置することができ、同様の機械的振とう機能を提供するために装置102を介して音波の振動を送るように制御される。
【0016】
当業者が十分に理解できるように、核酸鎖は、それぞれが特定の大きさおよび極性のイオン電荷を含有する塩基A、C、GおよびTの異なる組み合わせをそれぞれ含んでいる。このため、ドレインおよびソース領域104および106間またはそうでなければ開口部118の両端の電荷勾配は、荷電した核酸鎖に開口部118を通過させる。あるいは、開口部118と液体の間に電位差をつくるために別の電圧源(図示せず)を用いることができる。また、ソースおよびドレイン106および104間に印加される電圧と無関係にDNAの流れを制御するために開口部118の両端に圧力差を与えることができる。
【0017】
また、配列決定装置102は、電圧源112を基準として媒体110に正の電圧を印加することによって核酸鎖を開口部118に引き寄せることができる。さらに、ドレインおよびソース領域104および106の極性をそれぞれ反転することによって、媒体110中の核酸鎖を開口部118に押し込んだりそこから押し出したりし、複数回解析することもできる。
以下により詳細に説明するように、開口部118は、ナノメートルの範囲内、例えば約1nmから約10nmの範囲内の直径を有するように構成される。したがって、常に1つのDNA鎖だけしか開口部118を通過することができない。DNA鎖が開口部118を通過すると、塩基の配列は、鏡像電荷を誘起する。この鏡像電荷は、開口部118が形成された装置の壁面に沿って垂直方向に延伸するチャネル119をドレインおよびソース領域104および106間に形成する。電圧源112によってソース領域106およびドレイン領域104間に電圧が印加されると、チャネル内のこれらの鏡像電荷はソースからドレインへと流れ、結果として電流計114によって検出することができる電流フローとなる。開口部118内に電荷がある限り電流がチャネル内に存在するので、電流計114によって検出される装置電流は、移動電荷と関連する電流よりもはるかに大きい。例えば、1マイクロ秒に開口部118を通過する1つ1つの荷電イオンは、0.16pAのイオン電流および160nAの装置電流の原因となる。
【0018】
あるいは、塩基は、チャネル119内に電荷の変化を誘起し、電流計114によって検出されるような電流の変化をもたらす。DNA鎖の存在による開口部を通るイオンの流れの変化が同様にチャネル119内の鏡像電荷の変化の原因となり、結果として電流計114によって検出される電流の変化となる。つまり、電流計114によって測定される装置電流は、DNA鎖111が開口部118を通過すると、例えば80μAから4μAに減少する。
各タイプの塩基A、C、GおよびTのそれぞれは、それぞれの塩基のタイプと関連する特定の電荷を表す特定の大きさおよび波形を有する電流を誘起する。すなわち、Aタイプの塩基は、核酸配列決定装置102のドレインおよびソース領域間のチャネル内にAタイプの塩基であることを示す大きさおよび波形を有する電流を誘起する。同様に、C、TおよびG塩基は、それぞれ特定の大きさおよび波形を有する電流を誘起する。
【0019】
検出された電流の波形の例を図3に示す。この図は、A、C、GおよびT塩基の存在によって生成される予想信号の形、大きさおよび時間分解能を象徴的に図示している。電流の大きさは、一般的にマイクロアンペア(μA)の範囲にあり、これはピコアンペアの範囲にある開口部118を通って流れるイオン電流の106倍の大きさである。個々の塩基の静電位の計算は、水素結合をもたらす電荷の相補分布を示す。例えば、T−AおよびC−Gの対は、外から対にして見ると同様の分布を有するが、対ではない一本鎖DNAを解析する場合は、水素結合が起こる面が独特である。大きなAおよびG塩基は、水素結合面上でほぼ相補的(正と負が逆)であり、小さなTおよびC塩基についても同様である。
【0020】
したがって、DNA鎖が開口部118を通過すると、電流計114によって検出された誘起された電流の波形および大きさを解釈することによって、鎖の塩基の配列を検出し、それゆえ確認できる。したがって、システム100は、非常に正確で効率的な方法でDNA配列決定を行うことを可能にする。
チャネル119内の電子の速度は開口部を通過するイオンの速度よりもはるかに大きいので、ドレイン電流もまた開口部118を通るイオン電流よりもはるかに大きい。イオンの速度1cm/秒および電子の速度106cm/秒の場合、100万倍の増幅が得られる。
【0021】
また、DNA分子の存在は、開口部118を通る電流IPを監視することによって検出できる。つまり、開口部を通る電流IPは、DNA分子が開口部を通過するとき80pAから4pAに減少する。これは、分子が開口部を通過する際の1マイクロ秒当たり25の電子の電荷に相当する。
開口部を通る電流ではなく装置電流を測定することには以下の利点がある。装置電流は比較的大きいので測定しやすい。大きな電流は短時間での正確な測定を可能にし、それにより2つのn型領域の間に位置する1つのDNA塩基と関連する電荷の測定を可能にする。これに対して、開口部を通る電流の測定の帯域幅は、開口部118を通る電荷のランダムな動きと関連したショットノイズによって制限される。例えば、10MHzの帯域幅で1pAの電流を測定すると、3.2pA相当のノイズ電流が生じる。また、装置電流は、開口部118の両側の液体が電気的に絶縁されていなくても測定することができる。つまり、上述のように、配列決定装置102は単一の液体の容器に浸されている。このため、複数の電流測定を並行して行えるようにするために複数のシーケンサ102を単一の液体の容器に浸すことができる。さらに、以下により詳細に述べるように、ナノメートルサイズの開口部118の代わりにDNA分子を2つのn型領域に極めて接近させる他のあらゆる構造または方法を用いることができる。
【0022】
核酸配列決定装置102を作製する好適な方法を図4〜16を参照して説明する。図4に示すように、作製工程は、シリコン基板122、二酸化シリコン(SiO2)層124および薄いp型シリコン層126を含むシリコンオンインシュレータ(SOI)基板のようなウエハ120から始まる。この例では、シリコン基板122は約300μmから約600μmの範囲内の厚さを有し、二酸化シリコン層124は約200から6400nmの範囲内の厚さを有し、p型シリコン層126は約1μm以下(例えば約100nmから約1000nmの範囲内)の厚さを有する。
【0023】
図5に示すように、ヒ素、リンなどのようなn型ドーパントのイオン注入およびアニーリングまたは拡散によってドープn型領域128がp型シリコン層126につくられる。図示するように、n型領域128は、p型シリコン126を完全には貫通しない浅い領域である。図5に示すように深いn型領域130もまたp型シリコン126につくられる。深いn型領域130は、p型シリコン126を貫通して二酸化シリコン124に至り、n型領域128をつくるのに用いられるn型物質と同一または同様であり得るn型物質の拡散、あるいはイオン注入およびアニーリングのような公知の方法によってつくられる。図5にさらに示すように、シリコン基板122は、水酸化カリウム(KOH)中でのエッチングなどのような公知の方法によってその(111)平面に沿ってエッチングされる。基板122の背面はテフロンジグ(teflon jig)でエッチングすることもできる。図示するように、エッチング工程によりシリコン基板122の中央部分が二酸化シリコン124まで切り欠かれて、シリコン基板122に開口部132がつくられる。
【0024】
図6に示すように、開口部132に露出した二酸化シリコン124の部分が、フッ化水素酸中でのエッチング、反応性エッチングなどのような従来のエッチング方法によって切り欠かれる。n型領域128および130をつくるのに用いられるのと同一または同様のn型物質の注入または拡散のような公知の方法によって、開口部132で露出したp型シリコン126の場所に別の浅いn型領域134がつくられる。
次いで開口部118(図1および2参照)が、例えば図7および8に示すようにフレオン(Freon)14(CF4)を用いる反応性イオンエッチング(RIE)、光学リソグラフィー、電子ビームリソグラフィーまたはその他の細線リソグラフィーによって、n型領域128、p型シリコン126および底部のn型領域134を貫いて形成され、約10nmの直径を有する開口部となる。図9に示すように、開口部の直径は、シリコンを酸化することでp型シリコン層126および開口部118を形成する壁面の上に二酸化シリコン層136を形成することによってさらに小さくすることができる。この酸化状態は、例えば800〜1000℃の酸素雰囲気中でのシリコンの熱酸化により形成することができる。図11および12に詳細に示すように、結果としての酸化物は、酸化工程中に消費されたシリコンよりも大きな体積を有しており、このことが開口部118の直径をさらに狭める。開口部118の直径が1nmほどの小ささであると望ましい。
【0025】
例示のために図1、2および3〜9は開口部118を円筒形の開口部であるように示しているが、例えば図13および14に示すように開口部118が漏斗形を有するのが好ましい。この漏斗形の開口部118は、水酸化カリウム(KOH)を用いて(100)p型シリコン層126のV字形溝エッチングを行うことによってつくられ、p型シリコン126の(111)平面138に沿って形成されたV字形の溝となる。図14に明示するように、V字形または漏斗形の開口部は、開口部118を通るDNA鎖の動きを容易にし、DNA鎖が丸まってしまうために開口部118を通過するのが困難になる可能性を最小にする。酸化およびV字形溝エッチングを組み合わせてさらに小さい開口部を生み出すことができる。さらに、上記のように、熱酸化の代わりに陽極酸化を用いることができる。陽極酸化は、最適な開口部サイズが得られると工程を中止できるように酸化の際に開口部サイズの監視を可能にするというさらなる利点を有する。
【0026】
特に、開口部118は、1度に1つのDNA鎖の分子だけを通過させるのに十分に小さくなければならない。電子ビームリソグラフィーでは10nmほどの小ささの開口部118を形成できるが、さらに小さな開口部が必要である。上記のようなシリコンの酸化およびV字形溝エッチングは、開口部をさらに小さくして1〜2nmという所望のサイズにするために用いることができる。シリコンの酸化によって酸化の際に消費されたシリコンの約2倍の体積を有する二酸化シリコンが得られることが公知である。小さな開口部118の酸化によって開口部サイズが徐々に小さくなり、それにより所望の開口部サイズが提供される。KOHを用いた(100)配向シリコンのV字形溝エッチングにより、(111)平面によって形成されたV字形溝が得られる。正方形のSiO2またはSi3N4マスクを介してのKOHエッチングにより、正方形の断面を有する漏斗形の開口部が得られる。薄いシリコン層のエッチングにより、極めて小さなサイズの開口部118がもう一方の側に得られる。
【0027】
酸化およびV字形溝エッチングを組み合わせてさらに小さな開口部118を形成することもできる。熱酸化の代わりに、酸化の際の開口部118のサイズの監視を可能にするというさらなる利点を有する陽極酸化を用いることができ、適切なサイズの開口部118が得られると酸化を中止することができる。
ここで図15を参照すると、n型領域128およびn型領域130を露出させるために二酸化シリコン136に穴140がエッチングされる。次いで、各n型領域128および130に接触するために、金属コンタクト142が二酸化シリコン層136上および穴140内に堆積される。その後、図16に示すように金属コンタクト142の上に絶縁体144が堆積され、このようにして図1に示す装置102が得られる。
【0028】
図1にさらに示すように、リード線116がn型領域128および130に接触できるように絶縁体144の一部を取り除くことができ、このことによりこれらの領域はそれぞれドレイン領域104およびソース領域106を形成する。リード線116がn型領域128および130に接触するために延伸して通る開口部を密閉するために、さらなる絶縁体146が絶縁体144の上に堆積される。その結果、上述のようなDNA配列決定を行うために完成した装置102を作動させることができる。
【0029】
DNA分子の塩基を識別するためには、単一の電子の電荷を測定するのが望ましい。配列決定装置102が0.1×0.1μmの長さおよび幅を有すように製作され、二酸化シリコン層の厚さが開口部118の壁面に沿って0.1μmであると、0.35fFの静電容量、0.45mVの電圧の変化、1mSの装置の相互コンダクタンスおよび0.5nAの電流の変化が実現される。したがって、これらの寸法および特徴を有する配列決定装置102は、単一の電子の電荷を検出するのに用いることができる。配列決定装置102は、異なるヌクレオチドを区別するのに十分な特別の分解能を得るためにさらにサイズを小さくすることができる。配列決定装置102は、さらに高い電荷検知能力を有するためにより小さくするのが好ましい。例えば、配列決定装置の幅は10nm、長さは10nmであってもよく、開口部118は1nmの直径を有してもよい。
【0030】
装置102のさらなる実施形態もまた作製することができる。例えば、図17は、本発明の別の実施形態による核酸配列決定装置の平面図を示す。この実施形態では、最終的にドレインおよびソース領域を形成するn型領域を形成するために、図3から16に関して上述したステップが実行される。しかしながら、この実施形態では、例えば図5に示すn型領域128は、4つの別個のn型領域150として上記のp型シリコン層126と同様のp型シリコン層に形成される。二酸化シリコン層154は、中にn型領域150がつくられたp型シリコン層を覆っている。穴156は、二酸化シリコン層154上に堆積された金属コンタクト158がn型領域150に接触できるように、二酸化シリコン層154においてエッチングされる。n型領域150によって形成された4つのドレイン領域およびソース領域(図示せず)間を流れる電流を検出することによって、開口部152を通過するDNA鎖の塩基の空間的な向きを検出することができる。
【0031】
図18は、本発明の別の実施形態による核酸配列決定装置160の断面である。核酸配列決定装置102と同様に、核酸配列決定装置160は、シリコン基板162、二酸化シリコン層164、p型シリコン168に注入されたn型領域166およびp型シリコン168に注入された第2のn型領域170を含む。核酸配列決定装置160は、それを貫通する開口部172をさらに有する。開口部は円筒形でもよいし、上記のようなV字形または漏斗形の開口部でもよい。二酸化シリコン層174は、図示するようにp型シリコン層168、n型領域170およびn型領域166を覆っており、上記のようにして開口部172の直径を減少させる。リード線176をn型領域170に接合させるために二酸化シリコン層174に開口部がエッチングされている。別のリード線176もまたn型領域166の露出部分に接合されているので、電圧源178はn型領域170によって形成されたドレイン領域180およびn型領域166によって形成されたソース領域182の間に電位を印加することができる。このようにして、核酸配列決定装置160を上記の方法でDNA鎖184の塩基を検出するのに用いることができる。
【0032】
図19は、本発明の別の実施形態によるDNA配列決定システム186を示す。システム186は、この例では互いの上部に積み重ねられた3つのMOSFET型装置を含む多層核酸配列決定装置188を含む。つまり、装置188は、上記のシリコン基板122と同様のシリコン基板190を含む。二酸化シリコン層192はシリコン基板190の上にある。装置188は、n型ドープシリコン領域194、p型二酸化シリコン領域196、n型ドープシリコン領域198、p型二酸化シリコン領域200、n型ドープシリコン領域202、p型二酸化シリコン領域204およびn型ドープシリコン領域206をさらに含む。領域194から206は、図19に明示するように互いの上部に積み重ねられている。しかしながら、当業者は十分に理解できるように、この実施形態および本明細書に記載のその他の全ての実施形態について層の極性を反転させることができる。つまり、装置188は、p型ドープシリコン領域194、n型二酸化シリコン領域196、p型ドープシリコン領域198などを含んでもよい。
【0033】
さらに、薄い二酸化シリコン層208が図示するように層の上に形成され、開口部118に関して上述した方法で開口部210の直径を減少させるために開口部210を形成する壁面上にも形成される。また、開口部210は、上記のように円筒形でもV字型の溝または漏斗形の溝でもあり得る。以下に説明するように電圧源214、216および218ならびに電流計220、222および224を装置188に結合するためにリード線212を領域194、198、202および206に接合できるように、二酸化シリコン層208に穴が形成される。上記のように、電圧源214、216および218ならびに電流計220、222および224は、それぞれ電圧源112および電流計114と同様である。
【0034】
特に、リード線212は、電圧源214および電流計220をn型ドープシリコン領域202およびn型ドープシリコン領域206に直列に結合する。したがって、電圧源214は、p型二酸化シリコン領域204によって分離された領域202および206の間に電圧を印加する。リード線212はまた、図示するように電圧源216および電流計222をn型ドープシリコン領域198およびn型ドープシリコン領域202に結合する。さらに、リード線212は、図示するように電圧源218および電流計224をn型ドープシリコン領域194およびn型ドープシリコン領域202に結合する。その結果、図19から十分に理解できるように、n型ドープシリコン領域198およびn型ドープシリコン領域194はそれぞれ第1のMOSFETのドレインおよびソース領域として作用し、n型ドープシリコン領域202およびn型ドープシリコン領域198はそれぞれ第2のMOSFETのドレインおよびソース領域として作用し、n型ドープシリコン領域206およびn型ドープシリコン領域202はそれぞれ第3のMOSFETのドレインおよびソース領域として作用する。これらの3つのMOSFET型装置は、開口部210を通過するDNA鎖の塩基によって誘起された電流を測定することができ、これにより、精度を高めるためにこれらの塩基の複数の測定を行うことができる。
【0035】
また、図20および21に示すように、上記の核酸配列決定装置は、DNA鎖が装置の開口部を通過することを必要とすることなく核酸鎖の塩基を検知するように構成することができる。つまり、上記の技術を用いて、図1に示す核酸配列決定装置102と同様の、表面に近接してドレインおよびソース領域を有する核酸配列決定装置226を作製することができる。なお、図1、20および21に示す同様の構成要素は、同様の参照番号で識別されている。しかしながら、開口部118の代わりに、ドレイン領域からソース領域へと延伸する表面に1つ以上の溝(groove)228を任意に形成することができる。あるいは、表面に溝は形成されないが、核酸鎖111を検出するための検出領域がドレインおよびソース領域間にある。電圧源117および121による電位の印加ならびに容器108内の圧力差の生成のような、上述したものと同様の技術は、核酸鎖111を装置の表面に沿って溝228の上を水平方向に移動させるために用いることができる。核酸鎖の塩基は、電流がドレインおよびソース領域間を流れられるようにする鏡像電荷チャネル230をドレインおよびソース領域間につくる。塩基によって核酸配列決定装置内に誘起された電流は、上記のものと同様の方法で測定することができる。
【0036】
さらに、装置226は、鏡像電荷を含むチャネル230が垂直ではなく水平である点で、図1、17および19に表すその他の実施形態と異なる。この構造は図1、17および19に示す装置102におけるような開口部118を含まないが、この実施形態は、チャネル230のすぐ上方に電荷検知領域を含む。図1と同様に、核酸鎖111を電荷検知領域の方へまたはそれから離れるように向ける電界を与えるために外部電極113および115が用いられる。つまり、核酸鎖111の動きは、ドープ領域130に印加される電圧を基準として外部電極113および115に電圧を印加することによって制御される。核酸鎖111を図20に示す平面に垂直に動かすために、さらなる電極(図示せず)を加えることもできる。
【0037】
装置の電荷検知領域は、チャネル230のすぐ上方かつ2つのドープ領域130の間に位置している。個々の塩基の識別には、2つのドープ領域間の距離が1つの塩基程度であり、各塩基が連続して電荷検知領域の上方にあるように核酸鎖111が動くことが必要である。この水平構成は、さらに並行的かつ連続的な核酸鎖111の解析を可能にし、小さな開口部の作製を必要としない。このアプローチをさらに高めるために、核酸鎖111を導く上述のような溝228の形成などのさらなる表面処理を用いることができる。
【0038】
図19および20に示す水平の実施形態はまた、多数の核酸鎖111の存在を検出するためにも有利である。例えば、媒体として電気泳動ゲルを用いて、種々の長さの核酸鎖111を電極113および115間に置くことから始める。ドープ領域130を基準として負の電圧を電極113および115に印加する。そうすると、核酸鎖111は電荷検知領域へ向けて移動する。小さな鎖は速く移動し、大きな鎖はゆっくり移動する。したがって、小さな鎖がまず電荷検知領域に到着し、その後に大きなものが続く。したがって、電荷検知領域に蓄積された電荷は、およびそれゆえにチャネル230の鏡像電荷もまた、時間とともに「階段状に」増加する。この結果として、電流計114によって測定される電流が階段状に増加または減少する。
【0039】
この処理は、1つのDNA/RNA鎖の個々の塩基の識別とはならないが、電気泳動測定によって行われるのと同等の鎖の長さの測定を提供する。標準の電気泳動に対する利点は、DNA/RNA鎖の位置のリアルタイムの測定が行われることである。また、標準の電気泳動がcmサイズではないとしてもmmサイズの泳動領域を用いるのに対して、ミクロンサイズの装置を容易に製作できるので寸法を大幅に削減することができる。このサイズの削減によって、単一の電荷検知装置の費用も削減しながら、必要なDNA/RNA鎖がより少ない高速の測定がもたらされる。
【0040】
さらに、多数のDNAセンサ(例えば、配列決定装置102)を、図22に示すように電子的にアドレス指定および読み出しされる2次元アレイ300に構成することができる。アレイは、配列決定装置102のドレイン・ソース電流が対応するトランジスタ304のソースに流れるように、一方で接地に接続され他方で例えばトランジスタ304のソースに接続された配列決定装置102を含むセル302からなる。トランジスタ304のゲートはワード線306に接続され、そのワード線306がデコーダ308に接続される。各セル302のトランジスタ304のドレインは、センス線310に接続される。センス線310は、センス増幅器312として図示される一連のセンス増幅器に接続される。
【0041】
アレイ300は、マイクロプロセッサなどのような制御器(図示せず)からデコーダ308へアドレスを供給することによって作動される。そして、デコーダ308は、アドレスに対応するワード線306に電圧を印加する。センス増幅器312は、選択された配列決定装置102の列にバイアス電圧を提供する。バイアス電圧によって、選択された配列決定装置において開口部118を通るDNA分子の流れがもたらされる。選択された配列決定装置102は、対応するトランジスタ304に上記のようにして個々のヌクレオチドの電荷に比例する電流を提供する。センス増幅器は、選択された各配列決定装置102の電流を測定する。このようにして、アレイ300は、単一の配列決定装置102と比べて配列決定速度を増加させ、同時に欠陥のある配列決定装置102に対する冗長性およびさらなる許容差を提供する、複数の同時測定を可能にする。
【0042】
さらに、上記のDNAシーケンサ(例えば、配列決定装置102)のいずれもが、半導体チャネル(例えば、図1に示す配列決定装置102のチャネル119)とDNA分子を含む媒体(例えば、図1に示す液体110)との間の障壁(例えば、酸化物層136)の代替を含み得る。例えば、酸化物層136は取り除くことができ、それでもなお半導体と媒体との間に電位障壁を残す。酸化物層136の代わりにドナーおよび/またはアクセプタでドーピングされたバンドギャップが広い半導体を用いることができる。酸化物層136の代わりにドーピングされていない、バンドギャップが広い半導体層を用いることもできる。
【0043】
さらに、酸化物層136の代わりに1つ以上のシリコンナノ結晶を含む酸化物を用いることができる。このタイプの障壁を有する配列決定装置102の作動は、酸化物層136を有する配列決定装置102のものと少し違うものである。つまり、半導体チャネル119において鏡像電荷を直接につくるのではなく、個々のヌクレオチドの電荷が障壁のナノ結晶を分極する。このナノ結晶の分極が半導体チャネル119における鏡像電荷をつくる。電子がヌクレオチドからナノ結晶へトンネルするので、配列決定装置102の感度はさらに高められる。ナノ結晶に蓄積された電荷は、配列決定装置102のドレインおよびソースの間に短い電圧パルスを印加することによって、測定(例えば、電流計114による電流の読取り)の後で取り除くことができる。
【0044】
上記の配列決定装置(例えば、配列決定装置102)はいずれも、半導体を用いずに構築することもできる。この構成では、中間のp型半導体126(図1参照)の代わりに二酸化シリコンのような絶縁層が用いられ、n型のソース領域106およびドレイン領域104の代わりに金属電極が用いられる。2つの金属電極の間の酸化物層は、電子が酸化物層をトンネルできるように十分に薄くなければならない(10nm未満)。2つの金属電極を分離する酸化物は、トンネリングが開口部でだけ起こるように開口部の周りをより薄くしてもよい。
【0045】
図23を参照してこのタイプの配列決定装置102−1の作動を以下に説明する。DNA分子は、薄い酸化物層のそばを通ると、酸化物の局部的な電位を変化させ、酸化物層を介する電子のトンネリングによる電流の変化をもたらす。分子をチャネル119から分離している障壁は非常に薄いので、分子への電子のトンネリングおよび分子からの電子のトンネリングが起こり得る。このトンネリングは、チャネル119から分子へ/分子からチャネル119へと発生し得る。配列決定装置内での大きな増幅のために、この電流はチャネル119内の電流よりもはるかに小さいと考えられる。しかしながら、(代替の障壁材料として上述したような)ナノ結晶へとナノ結晶からのトンネリングは、同様の増幅をもたらす。したがって、このトンネリングは、DNA分子に沿った電荷の分布についての有用で測定可能な情報を提供する。
【0046】
上述のように、配列決定装置の開口部(例えば、配列決定装置102の開口部118)のサイズは、広範囲にわたって変えることができる。しかしながら、正しい作動のために、開口部118は、DNAが電荷センサの極めて近くにあるように十分小さくなければならず、DNAが開口部を通過できるように十分大きくなければならない。一本鎖DNAの直径は約1.5nmに等しいので、最適な検知のために開口部は1nmと3nmの間でなければならない。開口部が大きくなるとS/N(signal to noise)比を低下させるかもしれないが、より大きなイオンが開口部118を通るであろう。
【0047】
さらに、配列決定装置の開口部を非対称的にすることによっていくつかの利点が達成される。例えば、上記の関連した記述としての図13および14に対応する図24および25に示すように、V字形溝エッチング前の最初のパターンを非対称的にすることによって、最終的な開口部118もまた非対称的、例えば正方形や円とはならず、長円形または長方形となる。そうすると、非対称的であるヌクレオチドは開口部118を通過するときに好ましい向きを有する。このことは、ヌクレオチドの特性の識別におけるそれらの骨格軸の周りの回転による不明瞭さを取り去り、センサ信号の解析を非常に簡単にする。さらに、開口部118の長軸に沿って電界をかけ、ヌクレオチドの塩基固有の双極子モーメントを電界にそろえることができる。例えば、シトシンの双極子モーメントは6.44デバイであり、チミンの双極子モーメントは4.50デバイであり、アデニンの双極子モーメントは2.66デバイであり、グアニンの双極子モーメントは6.88デバイである。電界が十分に強ければ双極子モーメントに沿って塩基(ヌクレオチド)を伸ばすことができ、これにより塩基の電荷をセンサに近づけて感度を高めることができる。したがって、これらの技術は、データを非常に解釈しやすくし、塩基を判別するために用いられる信号を増加させる。
【0048】
さらに、図26に示すように、上記の配列決定装置(例えば、配列決定装置102)のアレイ300は、槽400内の液体が2つの領域すなわちソース領域402および1つ以上の収集領域404に分けられた構成において用いることができる。ソース領域402は、上記のイオン、水、ゲルまたはその他のタイプの液体などの流動体、ならびにDNA鎖のような数種類の核酸鎖406−1および406−2を含む。
図示するように、収集領域404は収集槽408によって形成できる。収集槽408は、収集領域404の液体をソース領域402の流動体から隔離することができ、この場合、ソース領域402の流動体は収集領域404の流動体と同じであっても違っていてもよい。あるいは、収集槽408は、核酸鎖406−1および406−2に対して不浸透性であってそれゆえ核酸鎖406−1および406−2がソース領域402から収集領域404におよびその逆に収集槽408を通り抜けるのを妨げながら、収集領域404の流動体がソース領域402におよびその逆に流れるのを可能にするために多孔性であり得る。
【0049】
ソース領域は、多くの無関係なDNA鎖および多くの既知または部分的に既知の基準配列を有する特定のタイプのDNA(タイプX)の鎖を含むかもしれない。そうすると、DNA鎖をアレイ300において作動するN個の配列決定装置102の開口部(例えば、開口部118)を介して引き寄せるために、アレイ300を上記のように制御することができる。ここで、Nは1よりもはるかに大きな数(例えば、100以上)である。DNA鎖が開口部118を通過して、配列決定されると、無関係な鎖はソース領域に後退させられる。ソース領域は、この鎖が出たばかりの開口部118の近傍から取り除かれ、かつ別の開口部に入る可能性が無視できるものであるように操作される。
【0050】
例えば、基準配列を有するタイプXの鎖は、計数されるが、同時に拒絶されてソース領域へ返される。しかしながら、ナノ開口部j(j=1からN)によって検出された塩基配列に1つまたはいくつかの差異を有するタイプXの鎖は、開口部118を通過させられ、流動体の収集領域を含む容器に捕捉される。そして、そのように捕捉された一番目の鎖と同一のタイプXの鎖はいずれも、同様に計数されて適切な収集容器へ送られる。異なった(または偶然に同じである)非基準配列のX鎖は、各開口部118で収集される。配列決定が終わると、基準のX鎖に対するそれぞれのタイプの非基準のX鎖の比率がわかり、変異タイプのそれぞれの100%純粋な試料が個々の収集槽408に収集されている。そして、これらの純粋な試料をPCRによって複製し、個別に研究することができる。上記の方法は、例えば、個人のDNAにおける突然変異および/または不正確な複製の率ならびにそれゆえに老化の研究に用いることができる。
【0051】
上記の装置の全ては他の方法でも変形させることができる。例えば、SiO2酸化物層をアルカリ溶液中で用いる亜酸化窒素(NO)雰囲気中のSi3N4に交換することができる。さらに、DNA分子111は負に荷電しているので、装置のソースを基準として正の電圧を液体110に印加するために電極113および115のような電極を用いることによって分子111を開口部118に引き寄せることができる。
上述のように、DNA分子を含むのに液体110の代わりにゲルを用いることができる。ゲルを用いるとイオンの動きを遅くし、S/N比をさらに改善する。さらに、ソースおよびドレイン間に印加される電圧とは無関係に流れを制御するために開口部の両端に圧力差をかけることができる。
【0052】
二本鎖DNAも同様に解析することができる。二本鎖DNAが中性分子であっても、分子は電荷を含有するので、電荷検知によってヌクレオチドを識別することができる。さらに、分子の剛性を高めて/変えてそれによりナノメートルサイズの開口部への分子の挿入を容易にするために、ヘキストダイ(Hoechst dye)のような蛍光色素などの他の分子を一本鎖DNAに付着させることができる。さらに、上記の装置は、一般にいかなるタイプの個々のポリマーをも解析するのに用いることができるので、いくつか例を挙げると石油産業、製薬産業および合成繊維産業などのポリマーを扱う産業において用いることができる。
【0053】
さらに、単一の分子(例えば、図1に示すような核酸鎖111)の電荷の測定を容易にするために、大きなサイズの粒子を単一の分子に付着させることができる。例えば、金のナノ粒子を一本鎖DNA6に付着させることができる。金のナノ粒子の目的は、DNA分子に固体のアンカーを提供することである。金の粒子は容易に荷電および放電させられる。結果として、電界をかけることによって金の粒子および付着されたDNA分子を操作することができる。
そして、一本鎖DNAに付着させられた金のナノ粒子を、図1に示す構成において液体110として用いることができる合成油などの絶縁液体中に置くことができる。この液体の目的は、DNA鎖と一緒になった粒子が自由に動くのを可能にすることである。液体は、導電液体中にあるイオンによる電荷遮蔽を回避するために絶縁していなければならない。合成油は、抵抗性が高く、一本鎖DNAとの化学結合を形成しないので、良い候補として認められている。
【0054】
次に、浮動ゲートを含む図1に示す装置102または図21に示すようなゲート電極のない装置226のような半導体に基づいた電荷センサを用いて金のナノ粒子の電荷を測定することができる。荷電した粒子が装置に近づくと、上記のようにしてシリコン/酸化物界面に鏡像電荷が形成される。いかなる鏡像電荷に対しても最も感度が高くなる閾値の範囲内の状態で作動するように、装置(例えば、装置102)に適切なバイアスが印加される。そして、誘起された鏡像電荷は、装置のさらに高い導電性をもたらし、増加した電流の形で読み出される。例として、それぞれ電子電荷の3分の1を持つ100の塩基をそれぞれ含む100のDNA分子が10nmの厚さの酸化物を有する1μm×1μmのMOSFETの閾値電圧を150mVずらすことを容易に計算できる。このずれは、(例えば、図1に示す電流計114によって測定できるように)装置のドレイン電流の変化を測定することによって測定できる。測定された電荷は、DNAの水素殻における電荷遮蔽陽イオンおよび遊離イオンの有無による影響を受けると考えられる。また、大きなDNA分子から小さなイオンを分離するために電界を用いることができる。
【0055】
さらに、図1に示す装置102の開口部118などの上記のナノメートルサイズの開口部のタイプは、図27Aおよび27Bに示すような明確な正方形の穴として製作することができる。これらの穴を形成するために、適切な幅および間隔を有する一連の線をパターンに規定し、そのパターンをSiO2のようなマスキング材料に転写する。次いで、90°回転させた同じ線のパターンを規定し、2組の線の間の重なり合う領域によって規定される領域だけがエッチングの際に取り除かれるように下にあるマスキング材料に転写する。この工程により、開口部452を有する図27Aに示すパターン450から理解できるように、単一のリソグラフィーステップで穴を規定するのに比べて、穴の縁の明確さが非常に良くなる。図27Aおよび27Bに示すパターンは、3μm幅および3μm間隔の線のパターンを用いて上記の技術で製作されたものである。そして、結果として得られたエッチングマスクを、水酸化カリウム(KOH)を用いてシリコンにピットをエッチングするのに用いた。
【0056】
線の幅のさらなる削減は、電子ビームリソグラフィーを用いて達成することができる。例えば、フィリップス(Phillips)の515走査型電子顕微鏡(SEM)を用いた電子ビームリソグラフィーによって100nm幅の線のパターンを作ることができる。開口部462を有する図28Aおよび28Bに示すパターン460を達成するためにポリメチルメタクリレート(PMMA)を電子レジストとして用いることができ、メチルイソブチルケトン/イソプロピルアルコール(MIBK/IPA)で現像することができる。図示するように、線は明確に規定され、電子ビームリソグラフィーで用いられるビームのスポットサイズによって制限される。ガウシアンビームでの1回の露光が用いられたので、各線の始まりは丸くなっている。この丸みは、図27Aおよび27Bに関して記載した交差線リソグラフィー技術を用いることによってなくすことができる。PMMAは、図示するような薄いSiO2層にパターンをうまく転写するためにエッチングマスクとして用いることもできる。
【0057】
したがって、最先端の電子ビームリソグラフィーを上述した2つの周知のサイズ削減技術と組み合わせることによって、開口部118を(100)シリコン簿膜上に作製することができる。PMMAに10nmの線を規定するために、走査型透過電子顕微鏡(STEM)を用いることができる。交差線はSiO2マスクに10nm平方の穴をつくるのに用いられる。シリコン簿膜のもう一方の側に2〜4nmの開口部を設けるV字形のピットをエッチングするためにKOHエッチングを用いることができる。シリコンの熱酸化は、酸化されたシリコンの約2倍の体積を有する酸化物を生じさせるので、それによって開口部のサイズはさらに削減される。この酸化もまた上述のようにゲート酸化物をもたらす。
【0058】
本発明のいくつかの実施例だけを上記に詳細に説明したが、当業者には、本発明の新規な教示および利点から著しく逸脱することなく、実施例において多くの変形が可能であることが容易に理解される。したがって、このような変形の全ては、以下の請求の範囲において規定されるような本発明の範囲内に含まれるものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施形態に従って構成されたDNAまたはRNAシーケンサを含むDNAまたはRNA配列決定を行うためのシステムを図示する。
【図2】 図1に示すDNAまたはRNAシーケンサの平面図を示す。
【図3】 DNAまたはRNA配列のアデニン(A)、チミン(T)、グアニン(G)およびシトシン(C)塩基がDNAまたはRNAシーケンサを通過するときの、図1に示すシステムの電流検出器によって検出された電流を表す波形の例を示すグラフである。
【図4】 本発明の実施形態に従って図1に示すようなDNAまたはRNAシーケンサを作製するシリコンオンインシュレータ(SOI)基板の断面図を示す。
【図5】 シリコン層に形成された浅いn型領域および深いn型領域ならびに切り欠かれた基板の部分を有する図4に示すSOI基板の断面図を示す。
【図6】 絶縁体の一部が切り欠かれ、別の浅いn型領域がシリコン層に形成された図5に示すSOI基板の断面図を示す。
【図7】 エッチングで形成された開口部を有するSOI基板の断面図を示す。
【図8】 図7に示すSOI基板の平面図を示す。
【図9】 シリコン層上およびその中の開口部を形成する壁面上に形成された酸化層を有する図9に示すSOI基板の断面図を示す。
【図10】 図9に示すSOI基板の平面図を示す。
【図11】 シリコン層上およびその中の開口部を形成する壁面上に形成された酸化層を有する図7に示すSOI基板の詳細な断面図を示す。
【図12】 図11に示すSOI基板の平面図を示す。
【図13】 図7に示すSOI基板の開口部の構成例の詳細な断面図を示す。
【図14】 図13に示す開口部の平面図を示す。
【図15】 酸化層にエッチングされた穴および浅いn型領域と深いn型領域に接触するためにそれぞれ穴の上方に形成された金属コンタクトを有する図9に示すSOI基板の断面図を示す。
【図16】 図4〜15に示す製造ステップに従って作製された図1に示すDNAまたはRNAシーケンサの断面図を示す。
【図17】 本発明の別の実施形態による複数のn型領域によって形成された複数の検出器を有するDNAまたはRNAシーケンサの平面図を示す。
【図18】 本発明の別の実施形態によるDNAまたはRNAシーケンサの断面図を示す。
【図19】 本発明のさらなる実施形態によるDNAまたはRNAシーケンサの断面図を示す。
【図20】 本発明のさらなる実施形態によるDNAまたはRNAシーケンサの断面図を示す。
【図21】 図20に示すDNAまたはRNAシーケンサの平面図を示す。
【図22】 DNAまたはRNAシーケンサのマトリックス配置の例を図示する概念ブロック図である。
【図23】 電子トンネリングを実現するために中間の半導体層の代わりに金属層を有するシーケンサの断面図である。
【図24】 図7に示すSOI基板の開口部の別の構成例の詳細な断面図を示す。
【図25】 図24に示す開口部の平面図を示す。
【図26】 別個の液体領域と共に用いられる複数開口部シーケンサの断面図を示す。
【図27】 図27Aおよび27Bは、半導体構造に形成された開口部パターンの写真のイメージである。
【図28】 図28Aおよび28Bは、半導体構造に形成された開口部パターンの写真のイメージである。This application is based on US Pat. No. 119 (e), John R., named “Ultra-Fast, Semiconductor-Based Gene Sequencing”. US Patent Provisional Application No. 60 / 199,130 to Jon R. Sauer et al., Filed April 24, 2000, “Charge Sensing and Amplification Device for DNA” US Patent Provisional Application No. 60 / 217,681, filed July 12, 2000, and “Character Detection and Amplification for DNA Sequencing”, entitled “Sequencing”) ” John R., named “Charge Sensing and Amplification Device for DNA Sequencing”. US Patent Provisional Application No. 60 / 259,584 to Jon R. Sauer et al., Claiming the benefit of Jan. 4, 2001, filed under US
Background of the Invention
Field of Invention
The present invention uses a semiconductor device having individual detection elements to identify individual bases of deoxyribonucleic acid (DNA) or ribonucleic acid (RNA) and individual components (mers) of long-chain polymers such as carbohydrates and proteins. And a method for fabricating a semiconductor device. In particular, the present invention relates to a system and method using a semiconductor device similar to a field effect transistor device that can identify the base of a DNA / RNA strand and thereby enable sequencing of the strand of interest.
Explanation of related technology
DNA consists of two very long helical polynucleotide strands wound around a common axis. The two strands of the double helix are in opposite directions. The two chains are organized by hydrogen bonding between a pair of bases consisting of adenine (A), thymine (T), guanine (G) and cytosine (C). Adenine is always paired with thymine and guanine is always paired with cytosine. Therefore, one strand of the double helix is complementary to the other.
[0001]
Genetic information is encoded in the specific sequence of bases along the DNA strand. In normal cells, genetic information is passed from DNA to RNA. The majority of RNA molecules are single stranded, but most contain extensive double helix regions resulting from the strands breaking into a hairpin-like structure.
DNA sequence mapping is part of a new era of gene-based medicine embodied by the Human Genome Project. The effort of this plan will someday allow doctors to tailor treatment to the person based on the individual's genetic makeup, and may even be able to correct genetic defects before birth. However, to achieve this task, it is necessary to sequence each individual's DNA. Although the human genome sequence difference is approximately 0.1%, this small difference is important for understanding the predisposition to various illnesses in an individual. In the near future, medical care will be “DNA personalized” and doctors will be able to arrange sequence information as easily as they arrange today's cholesterol tests. Therefore, a faster and more economical DNA sequencing method is required in order to use such developments in everyday life.
[0002]
One method for performing DNA sequencing is disclosed in US Pat. No. 5,653,939, the entire contents of which are hereby incorporated by reference. This method uses a monolithic array of test sites formed on a substrate, such as a semiconductor substrate. Each test site includes a probe that is adapted to bind to a predetermined target molecular structure. Binding of the molecular structure to the probe at the test site changes the electrical, mechanical and optical properties of the test site. Thus, given a signal to the test site, the electrical, mechanical and optical properties of each test site can be measured to determine which probes have bound to their respective target molecular structures. However, this method is disadvantageous because test site arrays are complex to manufacture and must use multiple probes to detect various types of target molecular structures.
[0003]
Another method of sequencing is known as gel electrophoresis. In this technique, DNA is broken down into one strand and exposed to a chemical that destroys one of four nucleotides, eg, A, so that it ends with A and is labeled at the opposite end. Generate chains with a random distribution of fragments. Repeat for the other three remaining bases. DNA fragments are separated according to length by gel electrophoresis. The length indicates the distance from the labeled end to the known base. If there is no gap in the target range, the sequence of the original DNA strand fragment is determined.
[0004]
This DNA sequencing method has many disadvantages associated with it. This technique can only read about 500 bases. This is because a DNA strand containing more bases will be “rounded” and cannot be read correctly. Also, as the length of the chain increases, the resolution of length determination decreases rapidly, which also limits the analysis of the chain to 500 bases in length. In addition, gel electrophoresis is very time consuming and is not an effective solution to the problem of sequencing the genomes of complex organisms. Furthermore, pre-electrophoresis preparation and post-analysis are inherently expensive and time consuming. Therefore, there is a need for faster, consistent and more economical methods for DNA sequencing.
[0005]
Another approach to DNA sequencing is described in US Pat. Nos. 5,795,782 and 6,015,714, the entire contents of which are hereby incorporated by reference. In this technique, two liquids are separated by a biological membrane having alpha hemolysin pores. As DNA passes through the membrane, the ionic current through the pores is blocked. Experiments have shown that the length of time that the ionic current through the pore is blocked is proportional to the length of the DNA fragment. Furthermore, the amount and rate of blockage depends on which base is in the narrowest part of the pore. For this reason, there is a possibility that the base sequence can be determined from these phenomena.
[0006]
The problem with this technique is that so far individual nucleotides cannot be distinguished. Also, it is difficult to distinguish the spatial orientation of individual nucleotides. In addition, the electrode that measures the flow of charge is far away from the hole, which adversely affects the accuracy of the measurement. This is largely due to the specific capacitance of the current sensing electrode and the large statistical variation in the detection of small amounts of current. In addition, noise sources such as unique shot noise distort the signal, causing further errors. Therefore, there is a need for a more sensitive detection system that distinguishes bases as they pass through a sequencer.
Summary of the Invention
It is an object of the present invention to provide a system and method for accurately and effectively identifying individual bases of DNA or RNA.
[0007]
Another object of the present invention is to provide systems and methods that use semiconductor devices to sequence individual bases of DNA or RNA.
A further object of the present invention is to provide a method for manufacturing a semiconductor-based DNA or RNA sequencing device.
Another object of the present invention is to provide a system and method for accurately and effectively identifying individual components of long chain polymers such as carbohydrates or proteins and measuring the length of long chain polymers. It is.
[0008]
Yet another object of the present invention is to have an opening therein for accurately and effectively identifying the base of DNA or RNA by measuring the charge at a position where the DNA or RNA molecule passes through the opening in the sequencer. Systems and methods using semiconductor-based devices are provided, thereby eliminating or at least minimizing the effects of noise sources such as shot noise associated with random movement of DNA or RNA molecules through openings. is there.
These and other objects of the invention are:Determine the nucleic acid sequence of the nucleic acid strandThis is substantially achieved by providing a system for doing so. This system is close to the detection areaNucleic acid strandIncluding at least one semiconductor device having at least one detection region adapted to detect a charge representative of a component of the same or a structure of insulating and metal layers. Since the component can include the base of the nucleic acid chain, the detection region is adapted to detect a charge representing the base of the nucleic acid chain. The detection area is further adapted to generate a signal representative of the detected charge. Further, the detection region is a recess in the semiconductor device, orNucleic acid strandThe detection region can detect the charge of the component in the opening because the opening can include a region of the semiconductor device in which the opening is formed in a semiconductor device having a cross section sufficient to allow the opening to enter the opening . Furthermore, the semiconductor device preferably further comprises at least two doped regions, the detection region being able to send a current between the two doped regions in response to the presence of components near the detection region.
[0009]
The above and other objects of the present invention provide for the proximity of the detection region of at least one semiconductor device.Nucleic acid strandPositioning a part of theNucleic acid strandDetecting a charge representative of a component ofDetermine the nucleic acid sequence of the nucleic acid strandThis is also substantially achieved by providing a method for doing so. Since the component can include the base of the nucleic acid strand, the detection step detects a charge representing the base. The method further includes generating a signal representative of the detected charge in the detection region. The detection region is a recess in the semiconductor device, orNucleic acid strandThe step of detecting can include a region of the semiconductor device in which the opening is formed in the semiconductor device having a cross-section sufficient to allow the opening to enter the opening. Is detected. Further, since the semiconductor device can further include at least two doped regions, the method can further include sending a current between the two doped regions in response to the presence of a component near the detection region.
[0010]
These and other objects of the present invention include providing a semiconductor structure that includes at least one semiconductor layer, and a detection region near the detection region.Nucleic acid strandCreating a detection region in the semiconductor structure to detect charges representing components ofDetermine the nucleic acid sequence of the nucleic acid strandFurther substantially achieved by providing a method for manufacturing an apparatus for doing so. The component can include a base of the nucleic acid chain and a detection region can be created to detect a charge representing the base of the nucleic acid chain. The method creates a recess in the semiconductor structure that is positioned relative to the detection region such that the detection region detects charges representing a component in the recess or opening, orNucleic acid strandThe method further includes creating an opening in the semiconductor structure having a sufficient cross-section to allow a portion of the substrate to pass through. The method may further include forming an insulating layer on a wall surface of the semiconductor layer having the opening to reduce a cross section of the opening. In addition, the method provides for a detection area near the detection area.Nucleic acid strandCreating at least two doped regions in the semiconductor layer positioned with respect to the detection region so as to send current between the doped regions in response to the components of the semiconductor layer. The doped regions can be separated by portions of the semiconductor layer having different dopings, each having a first doping and can be created as a stack of doped regions separated by a layer having a second doping. . The doped region can include either p-type or n-type doping.
Brief Description of Drawings
These and other objects, advantages and novel features of the present invention will be more readily understood from the following detailed description when read in conjunction with the accompanying drawings. In the drawing:
FIG. 1 illustrates a system for performing DNA or RNA sequencing including a DNA or RNA sequencer configured in accordance with an embodiment of the present invention;
FIG. 2 shows a plan view of the DNA or RNA sequencer shown in FIG. 1;
FIG. 3 shows the current detector of the system shown in FIG. 1 as the adenine (A), thymine (T), guanine (G) and cytosine (C) bases of the DNA or RNA sequence pass through the DNA or RNA sequencer. FIG. 6 is a graph showing an example of a waveform representing a detected current;
FIG. 4 shows a cross-sectional view of a silicon-on-insulator (SOI) substrate for making a DNA or RNA sequencer as shown in FIG. 1 according to an embodiment of the present invention;
FIG. 5 shows a cross-sectional view of the SOI substrate shown in FIG. 4 with a shallow n-type region and a deep n-type region formed in the silicon layer and a portion of the substrate cut away;
FIG. 6 shows a cross-sectional view of the SOI substrate shown in FIG. 5 with a portion of the insulator cut away and another shallow n-type region formed in the silicon layer;
FIG. 7 shows a cross-sectional view of an SOI substrate having an opening formed by etching;
FIG. 8 shows a plan view of the SOI substrate shown in FIG. 7;
FIG. 9 shows a cross-sectional view of the SOI substrate shown in FIG. 7 with an oxide layer formed on the silicon layer and on the wall surface forming the opening therein;
FIG. 10 shows a plan view of the SOI substrate shown in FIG. 9;
FIG. 11 shows a detailed cross-sectional view of the SOI substrate shown in FIG. 9 with an oxide layer formed on the silicon layer and on the wall surface forming the opening therein;
FIG. 12 shows a plan view of the SOI substrate shown in FIG. 11;
FIG. 13 shows a detailed cross-sectional view of a configuration example of the opening of the SOI substrate shown in FIG. 7;
FIG. 14 shows a plan view of the opening shown in FIG. 13;
FIG. 15 shows a cross-sectional view of the SOI substrate shown in FIG. 9 with holes etched in the oxide layer and metal contacts formed respectively above the holes to contact the shallow and deep n-type regions;
FIG. 16 shows a cross-sectional view of the DNA or RNA sequencer shown in FIG. 1 made according to the manufacturing steps shown in FIGS. 4-15;
FIG. 17 shows a plan view of a DNA or RNA sequencer having a plurality of detectors formed by a plurality of n-type regions according to another embodiment of the invention;
FIG. 18 shows a cross-sectional view of a DNA or RNA sequencer according to another embodiment of the invention;
FIG. 19 shows a cross-sectional view of a DNA or RNA sequencer according to a further embodiment of the invention;
FIG. 20 shows a cross-sectional view of a DNA or RNA sequencer according to a further embodiment of the invention;
FIG. 21 shows a plan view of the DNA or RNA sequencer shown in FIG.
[0011]
FIG. 22 is a conceptual block diagram illustrating an example of a matrix arrangement of a DNA or RNA sequencer;
FIG. 23 is a cross-sectional view of a sequencer having a metal layer instead of an intermediate semiconductor layer to achieve electron tunneling;
24 shows a detailed cross-sectional view of another configuration example of the opening of the SOI substrate shown in FIG. 7;
FIG. 25 shows a plan view of the opening shown in FIG. 24;
FIG. 26 shows a cross-sectional view of a multi-opening sequencer used with a separate liquid region;
Figures 27A and 27B are photographic images of opening patterns formed in a semiconductor structure;
28A and 28B are photographic images of opening patterns formed in a semiconductor structure.
Detailed Description of the Preferred Embodiment
FIGS. 1 and 2 show individual components and polymers or polymers or polymers for detecting the presence of a polymer such as DNA or RNA, protein or carbohydrate, or a long chain polymer such as petroleum, more preferably 1 illustrates a
[0012]
The
The nucleic
[0013]
The medium or vacuum, such as the liquid 110 in the
[0014]
The potential applied to the drain and
[0015]
[0016]
As will be appreciated by those skilled in the art, nucleic acid strands each contain different combinations of bases A, C, G and T, each containing an ionic charge of a particular size and polarity. Thus, a charge gradient between the drain and
[0017]
In addition, the
As described in more detail below, the
[0018]
Alternatively, the base induces a charge change in
Each type of base A, C, G and T induces a current having a specific magnitude and waveform representing a specific charge associated with the type of the respective base. That is, the A type base induces a current having a magnitude and a waveform indicating that it is an A type base in the channel between the drain and source regions of the nucleic
[0019]
An example of the detected current waveform is shown in FIG. This figure symbolically illustrates the shape, magnitude and temporal resolution of the expected signal produced by the presence of A, C, G and T bases. The magnitude of the current is typically in the microampere (μA) range, which is 10 times the ion current flowing through the
[0020]
Thus, as the DNA strand passes through the
Since the velocity of electrons in
[0021]
In addition, the presence of DNA molecules is caused by the current I through the opening 118.PCan be detected by monitoring. That is, the current I through the opening IPDecreases from 80 pA to 4 pA as DNA molecules pass through the opening. This corresponds to a charge of 25 electrons per microsecond as the molecule passes through the opening.
Measuring device current rather than current through the aperture has the following advantages. The device current is relatively large and easy to measure. A large current allows an accurate measurement in a short time, thereby allowing the measurement of the charge associated with one DNA base located between two n-type regions. In contrast, the measurement bandwidth of current through the aperture is limited by shot noise associated with random movement of charge through the
[0022]
A suitable method for producing the nucleic
[0023]
As shown in FIG. 5, a doped n-
[0024]
As shown in FIG. 6, the portion of the
An opening 118 (see FIGS. 1 and 2) is then formed, for example as shown in FIGS. 7 and 8, with Freon 14 (CFFour) Through reactive ion etching (RIE), optical lithography, electron beam lithography or other fine line lithography through the n-
[0025]
For purposes of illustration, FIGS. 1, 2 and 3-9 show the
[0026]
In particular, the
[0027]
A
Referring now to FIG. 15, a
[0028]
As further shown in FIG. 1, a portion of the
[0029]
In order to identify the base of a DNA molecule, it is desirable to measure the charge of a single electron. If the
[0030]
Further embodiments of the
[0031]
FIG. 18 is a cross section of a nucleic acid sequencing device 160 according to another embodiment of the invention. Similar to the nucleic
[0032]
FIG. 19 illustrates a
[0033]
In addition, a thin
[0034]
In particular, lead 212
[0035]
Also, as shown in FIGS. 20 and 21, the nucleic acid sequencing device described above can be configured to detect the base of the nucleic acid strand without requiring the DNA strand to pass through the opening of the device. . That is, using the above technique, a nucleic
[0036]
Furthermore, the
[0037]
The charge sensing region of the device is located just above the
[0038]
The horizontal embodiment shown in FIGS. 19 and 20 is also advantageous for detecting the presence of multiple
[0039]
This treatment does not identify individual bases of a single DNA / RNA strand, but provides a measure of strand length equivalent to that performed by electrophoretic measurements. The advantage over standard electrophoresis is that a real-time measurement of the DNA / RNA strand position is made. Also, even if the standard electrophoresis is not the cm size, the mm size migration region is used, whereas the micron size device can be easily manufactured, so that the size can be greatly reduced. This reduction in size results in faster measurements with fewer DNA / RNA strands required, while also reducing the cost of a single charge sensing device.
[0040]
In addition, a number of DNA sensors (eg, sequencing device 102) can be configured in a two-
[0041]
The
[0042]
In addition, any of the above DNA sequencers (eg, sequencing device 102) may include a semiconductor channel (eg,
[0043]
Further, an oxide including one or more silicon nanocrystals can be used instead of the
[0044]
Any of the above-described sequencing apparatuses (for example, the sequencing apparatus 102) can be constructed without using a semiconductor. In this configuration, an insulating layer such as silicon dioxide is used instead of the intermediate p-type semiconductor 126 (see FIG. 1), and a metal electrode is used instead of the n-
[0045]
The operation of this type of sequencing apparatus 102-1 will now be described with reference to FIG. As DNA molecules pass by a thin oxide layer, they change the local potential of the oxide, resulting in a change in current due to electron tunneling through the oxide layer. The barrier separating the molecule from the
[0046]
As described above, the size of the opening of the sequencing device (eg, opening 118 of sequencing device 102) can vary over a wide range. However, for proper operation, the
[0047]
In addition, several advantages are achieved by making the openings of the sequencing apparatus asymmetric. For example, as shown in FIGS. 24 and 25, which correspond to FIGS. 13 and 14 as the related description above, by making the initial pattern prior to V-groove etching asymmetric, the
[0048]
In addition, as shown in FIG. 26, the
As shown, the
[0049]
The source region may include a number of unrelated DNA strands and a strand of a particular type of DNA (type X) having a number of known or partially known reference sequences. The
[0050]
For example, type X strands with a reference sequence are counted but simultaneously rejected and returned to the source region. However, type X strands with one or several differences in the base sequence detected by the nano-openings j (j = 1 to N) are passed through the
[0051]
All of the above devices can be modified in other ways. For example, SiO2Si in nitrous oxide (NO) atmosphere using oxide layer in alkaline solutionThreeNFourCan be replaced. Further, since the
As mentioned above, a gel can be used in place of the liquid 110 to contain the DNA molecules. Using gel slows the movement of ions and further improves the S / N ratio. In addition, a pressure differential can be applied across the opening to control flow independent of the voltage applied between the source and drain.
[0052]
Double-stranded DNA can be similarly analyzed. Even if the double-stranded DNA is a neutral molecule, the molecule contains a charge, so that nucleotides can be distinguished by charge detection. In addition, other molecules, such as fluorescent dyes such as Hoechst dye, are single-stranded to increase / change the rigidity of the molecule, thereby facilitating insertion of the molecule into nanometer-sized openings. Can be attached to DNA. In addition, the devices described above can be used to analyze any type of individual polymer in general, so that they can be used in industries dealing with polymers such as the petroleum industry, pharmaceutical industry and synthetic fiber industry, to name a few. Can do.
[0053]
Furthermore, large size particles can be attached to a single molecule to facilitate measurement of the charge of a single molecule (eg,
Then, the gold nanoparticles attached to the single-stranded DNA can be placed in an insulating liquid such as synthetic oil that can be used as the liquid 110 in the configuration shown in FIG. The purpose of this liquid is to allow the particles together with the DNA strands to move freely. The liquid must be insulated to avoid charge shielding by ions present in the conductive liquid. Synthetic oils are recognized as good candidates because they are highly resistant and do not form chemical bonds with single-stranded DNA.
[0054]
Next, the charge of the gold nanoparticles can be measured using a semiconductor-based charge sensor such as the
[0055]
Further, the nanometer-sized opening types described above, such as the
[0056]
Further reduction in line width can be achieved using electron beam lithography. For example, a 100 nm wide line pattern can be created by electron beam lithography using a Phillips 515 scanning electron microscope (SEM). Polymethyl methacrylate (PMMA) can be used as an electronic resist to achieve the
[0057]
Thus, by combining state-of-the-art electron beam lithography with the two known size reduction techniques described above, the
[0058]
Although only a few embodiments of the present invention have been described in detail above, those skilled in the art will recognize that many variations in the embodiments are possible without significantly departing from the novel teachings and advantages of the present invention. Easy to understand. Accordingly, all such modifications are intended to be included within the scope of this invention as defined in the following claims.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 illustrates a system for performing DNA or RNA sequencing including a DNA or RNA sequencer configured in accordance with an embodiment of the present invention.
FIG. 2 shows a plan view of the DNA or RNA sequencer shown in FIG.
FIG. 3 shows the current detector of the system shown in FIG. 1 as adenine (A), thymine (T), guanine (G) and cytosine (C) bases of the DNA or RNA sequence pass through the DNA or RNA sequencer. It is a graph which shows the example of the waveform showing the detected electric current.
4 shows a cross-sectional view of a silicon on insulator (SOI) substrate for making a DNA or RNA sequencer as shown in FIG. 1 according to an embodiment of the present invention.
5 shows a cross-sectional view of the SOI substrate shown in FIG. 4 having a shallow n-type region and a deep n-type region formed in the silicon layer and a portion of the substrate that has been cut away.
6 shows a cross-sectional view of the SOI substrate shown in FIG. 5 in which a part of the insulator is cut out and another shallow n-type region is formed in the silicon layer.
FIG. 7 is a cross-sectional view of an SOI substrate having an opening formed by etching.
FIG. 8 shows a plan view of the SOI substrate shown in FIG. 7;
9 shows a cross-sectional view of the SOI substrate shown in FIG. 9 having an oxide layer formed on the silicon layer and on the wall surface forming the opening therein.
10 shows a plan view of the SOI substrate shown in FIG. 9. FIG.
11 shows a detailed cross-sectional view of the SOI substrate shown in FIG. 7 with an oxide layer formed on the silicon layer and on the wall surface forming the opening therein.
12 shows a plan view of the SOI substrate shown in FIG. 11. FIG.
13 shows a detailed cross-sectional view of a configuration example of an opening of the SOI substrate shown in FIG.
14 shows a plan view of the opening shown in FIG. 13. FIG.
15 shows a cross-sectional view of the SOI substrate shown in FIG. 9 with holes etched in the oxide layer and metal contacts formed above the holes respectively to contact the shallow n-type region and the deep n-type region.
16 shows a cross-sectional view of the DNA or RNA sequencer shown in FIG. 1 made according to the manufacturing steps shown in FIGS.
FIG. 17 shows a plan view of a DNA or RNA sequencer having a plurality of detectors formed by a plurality of n-type regions according to another embodiment of the invention.
FIG. 18 shows a cross-sectional view of a DNA or RNA sequencer according to another embodiment of the present invention.
FIG. 19 shows a cross-sectional view of a DNA or RNA sequencer according to a further embodiment of the invention.
FIG. 20 shows a cross-sectional view of a DNA or RNA sequencer according to a further embodiment of the invention.
FIG. 21 shows a plan view of the DNA or RNA sequencer shown in FIG.
FIG. 22 is a conceptual block diagram illustrating an example of a matrix arrangement of a DNA or RNA sequencer.
FIG. 23 is a cross-sectional view of a sequencer having a metal layer instead of an intermediate semiconductor layer to realize electron tunneling.
24 shows a detailed cross-sectional view of another configuration example of the opening of the SOI substrate shown in FIG.
25 is a plan view of the opening shown in FIG. 24. FIG.
FIG. 26 illustrates a cross-sectional view of a multi-opening sequencer used with a separate liquid region.
FIGS. 27A and 27B are photographic images of opening patterns formed in a semiconductor structure. FIGS.
FIGS. 28A and 28B are photographic images of opening patterns formed in a semiconductor structure. FIGS.
Claims (31)
前記核酸鎖が通過可能な開口部を有する少なくとも1つの検出領域を有する少なくとも1つの半導体装置を含み、前記開口部は、100nm以下の断面積を有し、前記少なくとも1つの核酸鎖が前記開口部を通過する間に少なくとも前記核酸鎖の構成要素の電荷が前記領域に鏡像電荷を作成するよう構成されており、前記鏡像電荷は、前記構成要素の電荷に関連する量により、前記領域の導電性を高めるのに十分であり、
前記検出領域が前記開口部における前記構成要素の前記電荷を検出するようになるように、前記検出領域は、前記核酸鎖が前記開口部に入ることを可能にするのに十分な断面を有する、前記半導体装置における開口部を定義する絶縁層を有する前記半導体装置の領域を含む、システム。A system for determining the nucleic acid sequence of a nucleic acid strand, comprising :
Including at least one semiconductor device having at least one detection region having an opening through which the nucleic acid strand can pass, wherein the opening has a cross-sectional area of 100 nm or less, and the at least one nucleic acid strand is in the opening The charge of at least a component of the nucleic acid strand is configured to create a mirror image charge in the region while passing through the region, and the mirror image charge is made conductive in the region by an amount related to the charge of the component. Enough to increase
The detection region has a cross-section sufficient to allow the nucleic acid strand to enter the opening, such that the detection region will detect the charge of the component at the opening; A system comprising a region of the semiconductor device having an insulating layer defining an opening in the semiconductor device.
少なくとも1つの半導体層を含む半導体構造を提供するステップと、
前記半導体構造に前記核酸鎖が通過可能な開口部を有する検出領域を作成するステップと、
前記開口部の前記断面を小さくするために前記開口部を形成する前記半導体層の壁面にドーピングされていない半導体層を形成するステップと、を含み、
前記開口部は、100nm以下の断面積を有し、前記少なくとも1つの核酸鎖が前記開口部を通過する間に少なくとも前記核酸鎖の構成要素の電荷が前記領域に鏡像電荷を作成するよう構成されており、前記鏡像電荷は、前記構成要素の電荷に関連する量により、前記領域の導電性を高めるのに十分である、方法。A method for manufacturing an apparatus for determining the nucleic acid sequence of a nucleic acid strand, comprising :
Providing a semiconductor structure comprising at least one semiconductor layer;
Creating a detection region having an opening through which the nucleic acid strand can pass in the semiconductor structure;
Forming an undoped semiconductor layer on a wall surface of the semiconductor layer that forms the opening to reduce the cross section of the opening, and
The opening has a cross-sectional area of 100 nm or less, and is configured such that at least a charge of a component of the nucleic acid chain creates a mirror image charge in the region while the at least one nucleic acid chain passes through the opening. And the mirror image charge is sufficient to increase the conductivity of the region by an amount related to the charge of the component.
絶縁層および少なくとも1つの金属層を含む少なくとも1つの構造を含み、前記核酸鎖が通過可能な開口部を有する少なくとも1つの検出領域を形成するよう配置され、前記開口部は、100nm以下の断面積を有し、前記少なくとも1つの核酸鎖が前記開口部を通過する間に少なくとも前記核酸鎖の構成要素の電荷が前記領域に鏡像電荷を作成するよう構成されており、前記鏡像電荷は、前記構成要素の電荷に関連する量により、前記領域の導電性を高めるのに十分である、システム。A system for determining the nucleic acid sequence of a nucleic acid strand, comprising :
And including at least one structure including an insulating layer and at least one metal layer, and arranged to form at least one detection region having an opening through which the nucleic acid strand can pass, the opening having a cross-sectional area of 100 nm or less has the has the charge of at least a component of the nucleic acid strand during at least one nucleic acid strand passes through the aperture is configured to create a mirror image charge in the region, the mirror image charges, said arrangement A system, wherein an amount related to the charge of the element is sufficient to increase the conductivity of the region.
絶縁層および少なくとも1つの金属層を含む構造を提供するステップと、
前記構造に検出領域を作成するステップと、を含み、
前記検出領域は、前記核酸鎖が通過可能な開口部を有し、前記開口部は、100nm以下の断面積を有し、前記少なくとも1つの核酸鎖が前記開口部を通過する間に少なくとも前記核酸鎖の構成要素の電荷が前記領域に鏡像電荷を作成するよう構成されており、前記鏡像電荷は、前記構成要素の電荷に関連する量により、前記領域の導電性を高めるのに十分である、方法。A method for manufacturing an apparatus for determining the nucleic acid sequence of a nucleic acid strand, comprising :
Providing a structure comprising an insulating layer and at least one metal layer;
Creating a detection region in the structure,
The detection region has an opening through which the nucleic acid strand can pass, the opening has a cross-sectional area of 100 nm or less, and at least the nucleic acid while the at least one nucleic acid strand passes through the opening. The charge of a chain component is configured to create a mirror image charge in the region, the mirror charge being sufficient to increase the conductivity of the region by an amount related to the charge of the component. Method.
前記作成ステップが前記核酸鎖の前記塩基を表す前記電荷を検出するようになっている前記検出領域を作成する、請求項18に記載の方法。The component comprises a base of a nucleic acid strand;
19. The method of claim 18, wherein the creating step creates the detection region adapted to detect the charge representing the base of the nucleic acid strand.
複数の検出装置と、
読取り器と、を含み、
前記検出装置のそれぞれは、前記核酸鎖が通過可能な開口部を有する少なくとも1つの検出領域を有し、前記開口部は、100nm以下の断面積を有し、前記少なくとも1つの核酸鎖が前記開口部を通過する間に少なくとも前記核酸鎖の構成要素の電荷が前記領域に鏡像電荷を作成するよう構成されており、前記鏡像電荷は、前記構成要素の電荷に関連する量により、前記領域の導電性を高めるのに十分あり、
前記読み取り器は、前記検出装置のそれぞれからの読取りを選択的に得るようになっており、それぞれの前記読取りが前記検出装置によって検出された電荷のそれぞれを表す、システム。A system for determining the nucleic acid sequence of a nucleic acid strand, comprising :
A plurality of detection devices;
A reader, and
Each of the detection devices has at least one detection region having an opening through which the nucleic acid strand can pass, the opening has a cross-sectional area of 100 nm or less, and the at least one nucleic acid strand has the opening. The charge of at least a component of the nucleic acid strand is configured to create a mirror image charge in the region while passing through the portion, and the mirror image charge is electrically conductive in the region by an amount related to the charge of the component. Enough to enhance sex,
The system wherein the reader is selectively adapted to obtain a reading from each of the detection devices, each of the readings representing each of the charges detected by the detection device.
前記核酸鎖が通過可能な開口部を有する少なくとも1つの検出領域を有する少なくとも1つの半導体装置を含み、前記開口部は、100nm以下の断面積を有し、前記少なくとも1つの核酸鎖が前記開口部を通過する間に少なくとも前記核酸鎖の構成要素の電荷が前記領域に鏡像電荷を作成するよう構成されており、前記鏡像電荷は、前記構成要素の電荷に関連する量により、前記領域の導電性を高めるのに十分あり、前記検出領域が開口部における前記構成要素の前記電荷を検出するようになるようになっており、前記検出領域の前記領域が、前記開口部が形成された酸化物層を含み、前記酸化物層が少なくとも1つのシリコンナノ結晶を含んでいる、システム。A system for determine the nucleotide sequence of a nucleic acid strand,
Including at least one semiconductor device having at least one detection region having an opening through which the nucleic acid strand can pass, wherein the opening has a cross-sectional area of 100 nm or less, and the at least one nucleic acid strand is in the opening The charge of at least a component of the nucleic acid strand is configured to create a mirror image charge in the region while passing through the region, and the mirror image charge is made conductive in the region by an amount related to the charge of the component. The detection region is adapted to detect the charge of the component in the opening, and the region of the detection region is an oxide layer in which the opening is formed Wherein the oxide layer comprises at least one silicon nanocrystal.
少なくとも1つの半導体層を含む半導体構造を提供するステップと、
前記半導体構造に検出領域を作成するステップを含み、前記検出領域は、前記核酸鎖が通過可能な開口部を有し、前記開口部は、100nm以下の断面積を有し、前記少なくとも1つの核酸鎖が前記開口部を通過する間に少なくとも前記核酸鎖の構成要素の電荷が前記領域に鏡像電荷を作成するよう構成されており、前記鏡像電荷は、前記構成要素の電荷に関連する量により、前記領域の導電性を高めるのに十分あり、
前記開口部作成ステップが、前記開口部の前記断面を小さくするために前記開口部を形成する前記半導体層の壁面に酸化物層を形成し、前記酸化物層が少なくとも1つのシリコンナノ結晶を含んでいる、酸化物層形成ステップを含む、方法。A method for manufacturing an apparatus for determining the nucleic acid sequence of a nucleic acid strand, comprising :
Providing a semiconductor structure comprising at least one semiconductor layer;
Creating a detection region in the semiconductor structure, wherein the detection region has an opening through which the nucleic acid chain can pass, the opening has a cross-sectional area of 100 nm or less, and the at least one nucleic acid chain is configured as the electric charge of at least a component of the nucleic acid strand to create a mirror image charge in the region while passing through the opening, the mirror image charge is the amount related to the charge of the component, Sufficient to increase the conductivity of the region;
The opening creation step forms an oxide layer on a wall surface of the semiconductor layer forming the opening to reduce the cross section of the opening, and the oxide layer includes at least one silicon nanocrystal. A method comprising the step of forming an oxide layer.
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