JP4768226B2 - 検体の高感度検出のために特別に構成されたゲート電極を有するｆｅｔセンサー - Google Patents

Description

この発明は、検体の高感度検出のために特別に構成されたゲート電極を有する、トランジスタをベースとするセンサーに関する。

近年、シリコンベースのマイクロエレクトロニクス部品にもとづくセンサーは、センサーと評価回路を一つのチップ上に一体的に統合することができるとともに、シリコンＣＭＯＳ技術の経験を利用することができるので、大きな注目を集めている。マイクロエレクトロニクス部品とセンサーを結合させる場合、部品とセンサーの感度間の調整が、常に問題を抱えている。

電子回路の側においてセンサーのベースとなる部品は、ＭＯＳＦＥＴである。この部品は、そのマイクロエレクトロニクスにおける意味において、既に二十年前から継続的な発展を続けてきている。臨界的な部品サイズと電子特性は、絶えずより一層低減および改善されてきたし、そうなってきている。トランジスタは、サイズを小さくすることによって、より速くなるだけでなく、感度も良くなる。９０年代の初めには、１マイクロメートルの限界値を下回った。今日の部品は、標準的には、１８０ナノメートルのチャネル長を有する。このサイズは、製造分野において、間もなく１３０ナノメートルに縮小されている。

非特許文献１では、ＭＯＳＦＥＴの期待される部品サイズと電子的な特性が、２０１５年まで予測されている。しかし、これらの将来のアプリケーションと部品に対する実験室試料が、今日では既にもう製造されている。

このサイズになると、技術的な問題以外に、追加の措置無しでは、電子的な特性が劣化してしまうという物理的な問題も発生する。トランジスタの特性は、所謂短チャネル効果が発生するので、簡単に大きさと比例させることはできない。極端に小さい部品に特有の、この効果は、別のレイアウト構成によって回避しなければならない。

これに対する解決策は、周知の完全空乏型絶縁結晶シリコン（ＦＤ−ＳＯＩ）または二重ゲート（ＤＧ）トランジスタである。ＦＤ−ＳＯＩでは、埋没させた酸化物層の上に、数ナノメートルの厚さの電流が流れる層があり、ＤＧ−ＭＯＳＦＥＴでは、電流が流れる層は、両側からそれぞれ制御電極によって駆動される。この場合、有利には先ず、部品当たりの所要スペースが低減し、そのことは、産業応用では、同じ負担で、より多くのスループットと、そのためにより多くの利益を意味するものである。部品の挙動自身に対して、小さいサイズは、より高い感度を意味する、すなわち、より小さい入力信号で、同等の出力信号を得ることができる。この特性は、センサー技術における応用に対して、一般的に大変重要である。

現在のところ、生体臨床医学の応用に対して、センサーは、基本的に次のグループに分類されている。酵素バイオセンサー（例えば、グルコース、尿素）、親和性バイオセンサー（例えば、免疫センサー、ＤＮＡセンサー）、ホールセルバイオセンサー（微生物、組織、神経細胞）。この場合、信号の変換のために、大抵次の構造が用いられている。インピーダンス構造、音波構造、熱量測定センサー、電気化学的電池、光学センサー、ならびに半導体ベースのセンサー。

非特許文献２により、光アドレス可能半導体構造（ＬＡＰＳ）と容量性センサー以外に、古典的な電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）とは反対に、金属製のゲートを持たないトランジスタ構造を用いることが知られている。そこで、例えば、受容体ベースのセンサーの場合、ゲート酸化物材料の表面が、対応する目標物質に対して感応するように作られている。対応する目標物質が、溶液中にある場合には、それらは、対応する固定された受容体と結合することができ、そのことは、センサーの表面上における電荷を高める。そうすることによって、部品のチャネルにおける電荷が変化し、そのことは、その特性の測定可能な変化となって現れる。主に電解質／部品の境界面での効果にもとづく幾つかの欠点以外に、ここに示した構造の基本的な欠点は、使用する部品の製造が、現在のＣＭＯＳ標準プロセスで行うことができないということである。

ＣＭＯＳと適合性のあるセンサーには、信号処理およびその他のセンサー（例えば、温度測定に対する）すべてが一つのチップ上に収容することができるという要件がある。ＣＭＯＳプロセスに対する適合性は、これまで、ＣＭＯＳ技術において慣用されているとおり、ポリシリコンゲートを使用することによって向上されてきた。それに対しては、非特許文献３により、このポリシリコンゲートを電気的に浮動状態で動作させることが知られている。「電気的に浮動状態で」とは、電位が、電荷に順応する、すなわち固定されないということを意味する。

非特許文献４から、ＭＯＳＦＥＴスイッチによってポリシリコンゲートを操作することが知られている。それ以外に、この文献には、ポリシリコンがゲート電極用の材料として塗布されたトランジスタが実現されている。その上には、プラチナ層があり、この層の面は、電解質から金属への移行部における電流密度を最小化するために、ゲート電極の面より大きくなるように選ばれている。

生体臨床医学と診断学においては、最小限の分子密度の検出が、大きな課題である。そこで、例えばＤＮＡ解析法では、「ポリメラーゼ連鎖反応」（ＰＣＲ）を用いた所要のＤＮＡ複製措置が不要となる程の感度を持つ検出法に対する需要がある。これらの措置は、労力がかかり、高価であることが欠点である。これに関して、確かに検体の僅かな分子を検出することができるセンサーを開発する必要がある。特に、分子診断学に関して、例えば、病気を検出するために、（例えば、生検による）僅かな細胞の中から、ＤＮＡベースで遺伝的な痕跡を得ることが関心を持たれている。これに関して、遺伝的な材料を、細胞から浸出させて、その僅かな量を検査材料で分析する。前述したＤＮＡチップに加えて、プロテオミクス分野には、別の必要性が生じている。

検査材料における非常に僅かな量を検出できる方策は、相応の感度のセンサー技術を持つ検出電極に対して、非常に小さな平面を使用することである。これに関して、検出電極の非常に小さな平面上には、局所的に検体用の受容体が存在する。しかし、このように小さい平面上に受容体を局所的に固定することは、多大な労力と費用負担の元でしか実現可能でないことが欠点である。
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以上のことから、この発明の課題は、従来の技術において指摘されている欠点を持たないセンサーを提供することである。特に、ＣＭＯＳ標準プロセスに対する適合性を持つと同時に、受容体による変換または受容体への結合を用いて、少なくとも一つの検体が検出可能であることが求められる。

この課題は、請求項１に記載のセンサー、ならびに請求項１０に記載の検体の検出方法により解決される。有利な実施形態は、それらの従属請求項から明らかにされるものである。

請求項１における解決法は、トランジスタの電気絶縁材料から成る検出電極と誘電体として構成されたゲート酸化物との間に、ゲート電極を配置することにある。このゲート電極は、検出電極に対する大きな接触面Ａ_sensと、隣接するサブマイクロメートルまたはナノ・トランジスタのゲート酸化物上における小さな接触面Ａ_gateとを有する。

検体を結合または変換するための受容体は、検出電極の表面上に固定される。検体とは、特に、核酸（ＲＮＡ、ＤＮＡ）、抗原や固定された酵素の基質のような、生体分子を意味するものである。受容体という概念には、そのような検体を結合または変換することができ、そうすることによって検体を検出する、すべての分子が該当する。

検出電極の大きな面によって、受容体を技術的に簡単な方法で、その表面上に固定することが保証される。同時に、この発明にもとづくセンサーは、絶縁材料を使用することによって、常に二つのコンデンサの直列接続を持つこととなるので、ゲート電極のトランジスタとの小さな接触面Ａ_gateによって、検体に対する高い検出感度が得られる。第一のコンデンサは、検出電極とゲート電極材料との間に、第二のコンデンサは、ゲート電極材料とシリコン基板との間に位置する。

検出電極の大きな面によって、ゲート電極には、それに対応する大きな接触面Ａ_sensが形成される。検出電極の絶縁性の特性によって、この検出電極は、ゲート電極の材料から電気的に隔離される。平面コンデンサの容量に関する関係（１）にもとづき、容量Ｃ_sensが得られる。

関係（１）では、Ａ：平面の面積；ｄ：平面の間隔；ε₀ ：真空の誘電率；ε_r ：誘電体の比誘電率を意味する。

トランジスタの制御電極としてのゲート電極の容量は、絶縁層の厚さｄ_sensとｄ_gateが、互いに違わないか、またはほんの僅かしか違わないという前提条件の元に、ゲート電極のトランジスタとの接触面Ａ_gateが明らかに小さいために、それに対応して小さくなる。

ゲート電極の容量Ｃ_gateは、同様に上記の公式にもとづき近似することができる。このゲート容量は、使用しているサブマイクロメートルまたはナノ・トランジスタのサイズ構成では、検出電極の容量よりも明らかに小さい。コンデンサにおける容量と電圧との間には、以下の関係が成り立ち、

上述した構成は、以下の両方の容量の比率にもとづき、ｄＱ_sens＝ｄＱ_gate、すなわち両方の容量に同じ電荷を仮定することができるので、ゲート電極にかかる電圧を高めるように作用する。このことは、サブマイクロメートルまたはナノ・トランジスタと組み合わせると、感度を改善するという結果となる。

その結果、ゲート電極に対して上述したサイズ構成を持つセンサーを使用することは、検体に結合またはこれと反応する受容体によって、検出電極における電荷の変化が起こる限り、検出電極の表面上において、検体の僅かな分子でも検出可能であるという結果となる。検出するためには、先ず検体を、検出電極に固定された受容体と接触させるようにする。そうすることによって、検出電極の表面上において、電荷の変化が生じることとなる。この発明では、この電荷は、両方のコンデンサの直列接続によって、トランジスタに伝達され、その際、検出電極に対する接触面Ａ_sensとゲート酸化物に対する接触面Ａ_gateにおけるゲート電極のサイズ構成のために、電荷密度が、トランジスタの方向に対して高められる（関係（３）参照）。検出しようとしている検体の密度は、この電流の変化を測定することによって求められる。

前述した構造の利点は、大きな検出面をサブマイクロメートルまたはナノ・トランジスタと結び付けることが、使用するナノ・トランジスタの構造に大きく依存しないということにある。このため、この構造は、文献に記述された従来のナノ・トランジスタと適合性を持つ。特に、ナノＭＯＳトランジスタに対する適合性が得られる。

有利には、これらの面の面積比Ａ_gate：Ａ_sensは、１：１０から１：５０００００までである。

第一のコンデンサを備えるために、検出電極は、絶縁材料で構成される。検出電極は、例えば、ＳｉＯ₂ で構成することができる。ＳｉＯ₂ は、優れた絶縁体である。この材料は、非常に薄い層で塗布することもできる。そこで、固定された受容体分子に検体を結合させることによる検出電極の表面上における最小限の電荷の変化は、第一のコンデンサによって、高い感度で、トランジスタの方向に伝達することができる。さらに、例えば、核酸、抗体や酵素のような、受容体としての生体分子を、シラン化学の範囲内における従来の技術から成る方法で、ＳｉＯ₂ 上に巧く固定することが可能である。

ＳｉＯ₂ 以外にも、検出電極用の材料として、Ｔａ₂ Ｏ₅ 、Ａｌ₂ Ｏ₃ またはＳｉ₃ Ｎ₄ が特に適している。これらの材料は、同じく優れた絶縁体である。さらに、これらは、有利には、検体としての基質を検出するためのｐＨに敏感な材料として適しており、この基質は、固定された酵素、例えばデヒドロゲナーゼとの反応過程で変換されるものである。こうすることによって、検出電極におけるｐＨ値の検出可能な局所的な変化が生じることとなり、それによって検体が検出される。

この発明の有利な実施形態においては、ゲート電極材料として、高導電性のポリシリコンが適している。ゲート電極材料を検出電極に対して容量的に結合させるのは、有利に作用する。それは、検出電極からゲート電極への良好な信号伝達を保証するものである。当然に、ゲート電極の材料は、ポリシリコンに限定されるものではない。むしろ、良好な導電性を持つ、考慮の対象となる材料のすべてが、ゲート電極用に用いることができる。

ゲート電極と検出電極は、一つまたは複数の層を介して、互いに結合することができる。ゲート電極と検出電極間の領域には、ゲート電極の表面として、ケイ化物層を配置することができる。このケイ化物層は、例えば、ポリシリコン上にタングステンを破砕して、続いてエージングすることによって実現することができる。しかし、チタンの破砕による、ゲート電極の表面としてのチタンケイ化物から成る層を配置することもできる。有利には、前述したケイ化物は、非常に良好な導体である。それらは、トランジスタへのイオン電流を防止するとともに、トランジスタの耐久性を向上させるものである。

この発明の特に有利な実施形態においては、第一のコンデンサを形成するためのポリシリコン、タングステンケイ化物ならびにＳｉＯ₂ から成る層群がある。ポリシリコンの上には、ゲート電極の表面を構成する、タングステンケイ化物から成る層が配置される。この場合、ポリシリコンとタングステンケイ化物は、一緒になってゲート電極を構成する。検出電極用の絶縁材料としてＳｉＯ₂ を有する、このような層群は、ゲート電極を検出電極に容量的に結合させることとなる。

トランジスタの製造時に、既にゲート電極用の相応の材料が、サブマイクロメートルまたはナノメートルの範囲で使用されているので、トランジスタの機能に対する不利な特性は存在せず、その結果上述した利点は、トランジスタの制御に必要な電圧を低いままに維持する。特に、サブマイクロメートルまたはナノ・トランジスタの内部構造は、変わらないままである。ゲート電極用の材料は、金属性の特性を持つので、検出電極とゲート電極間の容量性の結合は、トランジスタの制御電極としても成り立つ。

この発明にもとづくセンサーのゲート酸化物は、ナノ・トランジスタの基準に対応する誘電体から構成される。

以下においては、一つの実施例と添付図面にもとづき、この発明について、より詳しく記述する。

図１は、電界効果トランジスタをベースとする、この発明によるセンサーの横断面を示している。図１におけるサイズ構成は、縮尺が合った形で描かれていない。

シリコン基板１上には、ドレイン接点領域２、ソース接点領域８、ならびに例えば、ＳｉＯ₂ のような誘電体から成り、所定の面を持つゲート酸化物４がある。基板１、ドレイン接点領域２、ソース接点領域８およびゲート酸化物４は、サブマイクロメートルおよびナノ・トランジスタを製造するための従来の技術で周知であるような、材料から構成されている。

この発明にもとづく、特別に構成されたゲート電極は、ゲート酸化物４に対する接触面Ａ_gateを持つ領域６と検出電極７に対する接触面Ａ_sensを持つ領域５を有し、そのようにして、ゲート電極４と検出電極７との間に配置されている。接触面Ａ_gateは、接触面Ａ_sensよりも小さい。ゲート酸化物４の下部にあるチャネルは、例えば僅かに０．０１から１マイクロメートルの長さを持つ。このことから、ゲート電極材料とシリコン基板との間には、非常に小さなコンデンサ面が生じることとなる。検出電極７に対する接触面Ａ_sensは、例えば、１〜１０００マイクロメートルの長さを持つことができる。そのため、ゲート酸化物４との接触面Ａ_gateは、例えば、１０^-3平方マイクロメートルとすることができる。検出電極７との接触面Ａ_sensは、例えば、５００平方マイクロメートルとすることができる。こうすることによって、電荷密度を５０００００倍に向上することができる。当然に、これらの面は、ここに挙げたサイズ構成に制限されるものではない。

この例では、ゲート電極は、横断面をＴ形状に構成されている。しかし、形状の選択において、Ｔ形状に限定されるものではない。むしろ、ゲート電極５，６に関して、ゲート酸化物４との接触面Ａ_gateと比較して、検出電極７との接触面Ａ_sensがより大きくなる結果をもたらす形状であれば、何でも選択可能である。

ゲート電極５，６の材料は、ポリシリコンで構成される。ゲート電極上には、検出電極７との領域５において、図１には図示されていない、ゲート電極の表面としてのタングステンケイ化物から成る別の層がある。この層の上には、二酸化ケイ素から成る検出電極７が配置されている。タングステンケイ化物は、非常に良好な導体であり、有利には検出電極７からゲート酸化物４へのイオン電流を防止する。こうすることによって、トランジスタの耐久性が向上される。この機能は、チタンケイ化物から成る層によっても、果たすことができる。

ドレイン接点領域２、ソース接点領域８ならびにゲート電極と検出電極７から成る全体構造は、絶縁体３、例えば、二酸化ケイ素層内に埋め込まれている。このことは、センサーを保護する働きを持つ。この代わりに、Ｓｉ₃ Ｎ₄ を使用することができる。

この結果、この構造によって、またもや二つのコンデンサの直列接続が存在することとなる。このサイズ構成によって、トランジスタの方向における電荷密度の向上と、それによるトランジスタの所望の高い検出感度が達成される。

この例では、検出電極７上に、核酸（ＲＮＡ、ＤＮＡ）が、有利には共有結合で、あるいは静電的に固定されている。検体（この場合、固定されている核酸に対して相補的な核酸；ＲＮＡ，ＤＮＡ）が結合すると、検体の核酸のリン酸塩群の負の電荷が、さらに結合することによって、検出電極の表面における電荷が変化する。これらの電荷は、両方のコンデンサの直列接続を介して、トランジスタにまで伝達される。これによって生じたトランジスタの電流変化を測定して、量的に、結合した検体の密度に換算することも、質的に、検体の簡単な検出に利用することも可能である。このナノ・トランジスタの場合には、ＰＣＲによるＤＮＡの複製は、もはや不要である。この原理にもとづき、抗体・抗原反応も、検出可能または測定可能である。

また、酵素、例えば、デヒドロゲナーゼやグルコース・オキシダーゼを、ワサビダイコン・ペルオキシダーゼと組み合わせて、例えば、検出電極７としてのＴａ₂ Ｏ₅ 上に固定することができる。酵素による反応で、基質が変換され、その際検出電極７の表面が、ｐＨ値に従って局所的に限定された形で陽子を付加されるか、または取り去られる。この電荷の変化が、このコンデンサの直列接続によって、電流の変化に変換されて、測定される。このため、このようにすることによって、反応メカニズムにもとづき、検出電極７の表面上におけるｐＨ値の局所的な変化を起こす、あらゆる酵素の変換を検出または測定することができる。

検出電極７上に異なる受容体を固定することも可能であり、それは、そうすることによって、一つのセンサーを用いて、複数の検体の検出を可能とするためである。

電界効果トランジスタをベースとする、この発明によるセンサーの横断面図

符号の説明

１ 基板
２ ドレイン接点領域
３ 絶縁体
４ ゲート酸化物
５ 検出電極７に対する接触面Ａ_sensを持つ領域
６ ゲート酸化物４に対する接触面Ａ_gateを持つ領域
７ 検出電極
８ ソース接点領域

Claims (6)

1. 検体を検出するためのセンサーであって、このセンサーは、
   第二のコンデンサの第一の面を構成するトランジスタの基板（１）と、
   基板（１）上のソース接点領域（８）と、
   基板（１）上のドレイン接点領域（２）と、
   ソース接点領域（８）とドレイン接点（２）領域の間に有って、第二のコンデンサの絶縁体を形成する、基板（２）上のトランジスタのゲート酸化物（４）と、
   内面と外面を有するゲート電極であって、その内面は、外面より小さく、第二のコンデンサの第二の面を構成するとともに、所定の内側の接触領域に渡ってゲート酸化物（４）と接触しており、その外面は、第二のコンデンサと直列に接続された第一のコンデンサの第一の面を形成するゲート電極（５，６）と、
   第一のコンデンサの絶縁体を構成するとともに、内面と外面を有し、その内面がゲート電極の外面と接触している電気絶縁性の検出電極（７）と、
   検出電極（７）の外面上に固定されて第一のコンデンサの第二の面を形成する、検体の存在を検出するための受容体と、
   この受容体を固定するための検出電極（７）の外面を除いて、ソース接点領域（８）、ドレイン接点領域（２）、ゲート電極、ゲート酸化物及び検出電極（７）の全てを収容して、第一と第二の二つのコンデンサの直列回路を保持するための絶縁体（３）と、
   を有し、
   ゲート電極（５，６）の外面と受容体を二つの面とし、検出電極（７）を二つの面の間の絶縁体とする第一のコンデンサとゲート電極（５，６）の内面と基板（１）を二つの面とし、ゲート酸化物（４）を二つの面の間の絶縁体とする第二のコンデンサが直列に接続されており、ゲート電極（５，６）の検出電極（７）との接触面Ａ_ｓｅｎｓがゲート電極（５，６）のゲート酸化物（４）との接触面Ａ_ｇａｔｅよりも大きく、そのため第一のコンデンサの容量が第二のコンデンサの容量よりも大きくなっている構成によって、トランジスタの方向に向かって電荷密度を増大させてトランジスタの検出感度を向上させているセンサー。
2. 当該の接触面の面積比Ａ_ｇａｔｅ：Ａ_ｓｅｎｓが、１：１０から１：５０００００までであることを特徴とする請求項１に記載のセンサー。
3. ゲート電極（５，６）用の材料が、ポリシリコンであり、検出電極（７）用の材料が、ＳｉＯ_２ か、Ｔａ _２ Ｏ _５ か、Ａｌ _２ Ｏ _３ か、Ｓｉ _３ Ｎ _４ であることを特徴とする請求項１または２に記載のセンサー。
4. ゲート電極（５）と検出電極（７）との間の領域に、ゲート電極（５）の表面としてのケイ化物層が配置されていることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一つに記載のセンサー。
5. 当該のケイ化物層用の材料が、タングステンケイ化物またはチタンケイ化物であることを特徴とする請求項４に記載のセンサー。
6. ゲート電極（５，６）の横断面が、Ｔ形状に構成されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一つに記載のセンサー。

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