JP5373566B2 - 生物要素検出用チップの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロエレクトロニクスの分野に関し、特に少なくとも１つの生物要素検出用のチップを備えたマイクロエレクトロニクス装置の分野に関する。

本発明は、生物マーカー等の生物要素を検出するためのトランジスタを、ゲートを備えた従来のトランジスタと共に１つの同一の基板上に共集積することを可能にする。

本発明は特に、１つの同一基板上に、生物要素を検出するための少なくとも１つの回路と、測定を処理するための１つ以上のその他の回路とを備えた少なくとも１つのマイクロエレクトロニクス装置の製造方法に関する。

本発明はまた、医療事前診断または医療診断の自動測定を可能にする電子チップの製造方法に関する。

チップ上で生物分子を検出する装置の製造が知られている。

特許文献１には、ＤＮＡ、化学物質及びイオンなどの生物要素を検出するために使用される生物検出チップが記載されている。

チップはＳＯＩ基板上に製造され、それぞれの型のトランジスタのＰ型及びＮ型ドープ領域の界面に形成されたＰＮ接合によって絶縁された従来のＮＭＯＳ及びＰＭＯＳトランジスタを備えている。

前記装置の電気的検出感度は不十分である。

前記チップは、コンピュータによって処理されるよう意図された測定信号の伝達を可能にするアンテナが設けられたワイヤレス伝達手段を備える。

非特許文献１には、生物検出トランジスタを備え、ナノメートルサイズのＳＩチャネル形態のチャネルを備えた装置が記載されている。

前記装置において、チャネルは、金属コンタクト上にランダムに分布したナノワイヤの形態である。化学気相成長法によってナノワイヤを製造する方法が示されている。この方法では、チャネルを正確に分布させることができない。また、前記方法で得られたナノワイヤは、長さ及び直径の制御が困難であり、異なるチャネルの電気的特性の間への分散を形成する。

非特許文献２にも、半導体ナノワイヤを使用して生物要素を検出する半導体部品の製造方法が記載されている。この方法は、配列ナノワイヤを得ることができる“超格子ナノワイヤパターン転写”すなわちＳＮＡＰと称される。

非特許文献３には、生物要素を検出するためのトランジスタのナノチャネルを製造する別の方法が記載されている。

特許文献２には、生物要素の検出回路が設けられたマイクロエレクトロニクス装置の製造方法が開示されている。

前記回路を検出するトランジスタの製造を実施するのは困難である。

欧州特許出願公開第１５５７８８４号明細書 米国特許出願公開第２００８／０１０８１６４号明細書

Ｐａｔｏｌｓｋｙ， Ｇ．Ｚｈｅｎｇ， Ｃ．Ｍ．Ｌｉｅｂｅｒ，"Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ ｕｌｔｒａｓｅｎｓｉｔｉｖｅ， ｌａｂｅｌ−ｆｒｅｅ， ｒｅａｌｔｉｍｅ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｐｅｃｉｅｓ"， Ｎａｔｕｒｅ ｐｒｏｔｐｃｐｌｓ， ２００６， ｖｏｌ．１， Ｎｏ４，ｐｐ．１７１１−１７２４ Ｙ．Ｌ．Ｂｕｎｉｍｏｖｉｃｈ， Ｙ．Ｓ．Ｓｈｉｎ， Ｗ．Ｓ．Ｙｅｏ， Ｍ．Ａｍｏｒｉ，Ｇ．Ｋｗｏｎｇ， Ｊ．Ｒ．Ｈｅａｔｈ、 "Ｑｕａｎｔｉｔａｔｉｖｅ ｒｅａｌ−ｔｉｍｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ＤＮＡ ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａｌｋｙｌａｔｅｄ ｎｏｎ−ｏｘｉｄｉｚｅｄ ｓｉｌｉｃｏｎ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ ｉｎ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｓｏｌｕｔｉｏｎ"， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ， １２８， ｐｐ．１６３２３−１６３３１ Ｅ．Ｓｔｅｍ， Ｊ．Ｆ．Ｋｌｅｍｉｃ， Ｄ．Ａ．Ｒｏｕｔｅｎｂｅｒｇ， Ｐ．Ｎ．Ｗｙｒｅｍｂａｋ， Ｄ．Ｂ．Ｔｕｒｎｅｒ−Ｅｖａｎｓ， Ａ．Ｄ．Ｈａｍｉｌｔｏｎ， Ｄ．Ａ．ＬａＶａｎ， Ｔ．Ｍ．Ｆａｈｍｙ， Ｍ．Ａ．Ｒｅｅｄ， "Ｌａｂｅｌ−ｆｒｅｅ ｉｍｍｕｎｏｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ＣＭＯＳ−ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｎａｎｏｗｉｒｅｓ"， Ｎａｔｕｒｅ， ｖｏｌ．４４５

従って、生物要素検出用トランジスタを備えたマイクロエレクトロニクス装置を製造するための新規の方法が必要である。

本発明は、生物要素を検出するための少なくとも１つの回路を備えたマイクロエレクトロニクス装置の製造方法であって、
ａ）それぞれが少なくとも１つのゲート誘電体上に少なくとも１つのゲート材料を含有する少なくとも１つの層の形状を成し、チャネル領域上に位置する少なくとも１つのゲートを備えた複数のトランジスタを基板上に形成する段階と、
ｂ）前記トランジスタのうちの１つ以上のいわゆる“第１型トランジスタ”からそれぞれのゲートの少なくとも一部を除去する一方で、前記トランジスタのうちの１つ以上のその他のいわゆる“第２型トランジスタ”のそれぞれのゲートを保護する段階と、
ｃ）前記第１型トランジスタのチャネル領域に対向する表面（Ｓ）上に生物受容体を結合またはグラフトさせる段階と、
を含む方法に関する。

生物プローブとも称される生物受容体は、例えばＤＮＡ、オリゴヌクレオチド、タンパク質、酵素、または抗体の形態であり得る。

結合またはグラフトは、有機層を介して、または有機リンカーを使用して得ることができる。

従って、前記表面上に形成される有機層または有機リンカーは、そこに結合またはグラフトされる生物受容体または生物プローブに応じて選択される。

例えば、
−求電子生物受容体が結合される求核有機層、
−求核生物受容体が結合される求電子有機層、
のような組み合わせが使用され得る。

“トランジスタ”とは、いわゆる“ソース”領域といわゆる“ドレイン”領域との間に“チャネル”と称される少なくとも１つの半導体領域を備えた半導体型の電子部品を意味するものであり、チャネル領域を流れる電流を制御するための手段である。

第２型トランジスタでは、チャネルの導電性を制御するための手段がゲートを備える一方で、第１型トランジスタでは、チャネルの導電性を制御するための手段が、検出される生物要素（またはマーカー）とリンクまたは連結するよう意図された生物受容体（プローブとも称される）を備える。生物要素（マーカー）が存在するか否か及びその量に依存して、第２型トランジスタのチャネルの導電性が変化するようになっている。

本発明の方法によって、例えば論理制御回路及び／または信号処理のために設けられた従来の構造を有する第１のトランジスタと、生物検出のための第２のトランジスタとを１つの同一基板上に、共集積することが可能となる。

段階ｃ）で結合される生物受容体は、任意で封入層中に配列され得る。これによって、分子結合の安定性が向上し、多くの受容体を備えた装置を使用することが可能となる。

生物受容体は、検出される１つ以上の生物マーカー、すなわち少なくとも１つのタンパク質または抗体、もしくは少なくとも１つのウイルス、もしくはオリゴヌクレオチドまたはＤＮＡと親和性を有するように選択される。

前記方法は段階ａ）と、段階ｂ）との間に、
−前記トランジスタを被覆する少なくとも１つの絶縁材料を含有する少なくとも１つの層を堆積する段階と、
−第１型トランジスタのそれぞれのゲートの上面が露出されるように、前記絶縁材料の層に１つ以上の穴を形成する段階と、
−絶縁材料に対して選択的にエッチングされることができるように選択されたゲート材料を使用して穴を充填する段階とを含み得、この充填によって、前記第１型トランジスタのゲートの上面上に前記所定材料のブロックがそれぞれ形成されるようになり、前記方法がさらに、段階ｂ）で行われる前記除去より前または同時に前記ゲート材料を除去する段階を含み得る。

充填材料としてゲート材料を選択することによって、段階ｂ）でゲートを少なくとも一部除去する段階を容易にし、任意で１回で除去を行う。

穴の底部の表面は、第１型トランジスタのゲートの上面の表面より大きくてよい。

これによって、ゲートより大きな寸法を有する前記所定材料のブロックを形成することが可能となるため、後に少なくとも部分的にゲートを除去することが望ましい場合に、いかなる配列の問題も解決することができる。

前記所定材料で前記穴を充填した後に、１つ以上の絶縁層を形成することが可能であり、１つ以上の金属相互接続レベルは前記第２型トランジスタに対向しており、第１型トランジスタとは反対に、前記方法は、前記所定材料のブロックを露出させるように前記絶縁層に１つ以上の開口部を形成する段階と、前記所定材料を除去する段階と、前記開口部を通じて行われる段階ｂ）でのゲート材料を除去する段階とをさらに含み得る。

第１の実施可能形態によると、ゲートは段階ｂ）で完全に除去され得、受容体分子は第１型トランジスタのチャネル領域上に結合されている。

第２の実施可能形態によると、ゲートは、ゲート誘電層を露出させるように段階ｂ）で部分的に除去され得、受容体分子は第１型トランジスタのゲート誘電層上に結合されている。

前記方法は、段階ｃ）の後に、検出される生物要素または生物マーカーを運ぶことを目的とした少なくとも１つの液体で開口部を充填する段階をさらに含み得る。

本発明は、
−少なくとも１つの半導体チャネルを含む複数のトランジスタと、チャネル領域に対向する表面またはチャネル領域上も結合された１つ以上の生物要素を受容することが可能な生物受容体と、を備えた生物要素を検出するための少なくとも１つの検出回路と、
−それぞれが、ゲート誘電層の少なくとも１つの層上に少なくとも１つのゲート材料で少なくとも１つの層を形成している少なくとも１つのゲートを備え、前記ゲートがチャネル領域上に位置している別の複数のトランジスタと、
を１基板上に備えたマイクロエレクトロニクス装置の使用を可能にする。

生物受容体は、有機層または有機リンカーを介して、チャネル領域上または前記ゲート誘電層上に結合され得る。

生物受容体は、封入層中に配置されることも可能である。

生物受容体は、少なくとも１つのタンパク質、または少なくとも１つのウイルス等少なくとも１つの生物マーカーを受容するよう設計され得るかまたはヌクレオチドを含み、ＤＮＡを受容するように設計され得る。

装置は、
−前記検出回路によって実施される１つ以上の測定データ及び基準値または基準値の範囲のデータを記憶するために設けられた記憶手段と、
−１つ以上の測定結果を１つ以上の基準値または基準値の範囲と比較するために設けられた比較手段と、
を前記基板上にさらに備え得る。

装置はまた、前記基板上に、検出回路によって測定された測定結果と基準値との差異を検出するための手段を備え得る。

従って本発明のマイクロエレクトロニクス装置は、少なくとも部分的に医療診断の実施に適応され得る。

本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。 本発明による方法を使用して形成されたトランジスタの実施例を示すものである。 本発明による方法を使用して形成されたトランジスタの実施例を示すものである。 本発明による方法を使用して形成されたトランジスタの実施例を示すものである。 受容体分子を結合またはグラフトするための方法の特殊な実施例を示す。 生物要素を検出するためのチップの実施例を示す。 ＨＩＶを検出するために使用されたマーカーの量を示す曲線の例を示す。

本発明は、添付の図面を参照して、単に示唆する目的で与えられ限定するためのものではない実施形態の説明を読むことによってよりよく理解されるだろう。

図１Ａ〜１Ｏは、生物要素の検出のために設けられた半導体部品と、検出トランジスタによって得られた電気信号の処理のために設けられ得る制御ゲートを備えたトランジスタとを１つの同一基板上に備えた本発明による装置の製造方法の１実施例を示す。

図２Ａ〜２Ｃは、本発明による方法を使用して形成され、生物要素を検出するために設けられたトランジスタの実施例を示し、図２Ａにおけるトランジスタは、チャネル領域に対向して付着した同一の受容体分子を含み、図２Ｂにおけるトランジスタは、チャネル領域に対向して付着したいくつかの異なる受容体分子を含み、図２Ｃにおけるトランジスタは、封入層中に受容体分子を含む。

図３は、生物要素を検出するよう意図されたトランジスタのチャネルに対向する領域上に、少なくとも１つの求核基を有する受容体分子を結合またはグラフトさせる方法の特殊な実施例を示す。

図４は、生物要素を検出するための少なくとも１つの検出回路と、生物要素の検出回路によって検出された信号を処理するための少なくとも１つの処理回路とを備えた生物要素を検出するためのチップの実施例を示す。

図５は、時間に応じてＨＩＶの検出のために使用されたマーカーの量を示す曲線の例を示す。

容易に図面を同時に参照することができるように、異なる図面における類似または同等の部分には同一の参照符号が付されている。

図面を読みやすくするために、図面中に示された異なる部分は、必ずしも均一な縮尺で示されているわけではない。

本発明による生物要素またはマーカーを検出するための少なくとも１つの検出回路と、測定信号を処理するために設けられた例えば少なくとも１つの論理回路の形態である少なくとも１つのその他回路と、を備えたマイクロエレクトロニクス装置の製造方法の１実施例について、図１Ａ〜１０（これらの図中において、検出回路及び論理回路を製造するための装置の部分は、破線で区切られている）とあわせて説明する。

本方法の開始材料は、例えばＳｉ等の半導体材料である薄膜半導体層１０２でそれ自身が被覆された、例えばＳｉＯ_２である絶縁層１０１で被覆された、例えばシリコンである半導体キャリア１００で形成されるＳＯＩ（ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ−ｏｎ−ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）型基板であり得る。

次に、活性トランジスタ領域１０４ａ、１０４ｂが薄膜半導体層１０２中に形成される。これは、少なくとも１つのフォトリソグラフィー段階に続いてエッチングを使用することで実施されることができる。リソグラフィーは、例えばＵＶビームまたは電子ビームを使用して実施されることができる。このフォトリソグラフィーの間に、樹脂マスクを形成する段階、その後トリミングによって樹脂マスクを減少させる段階を実施することができる。

活性領域は、５から５０ナノメートルの間の臨界寸法Ｗを有して形成されることができ、例えば４０ナノメートル程度等例えば数十ナノメートル程度である。

活性領域１０４ａの中には、生物マーカー、ＤＮＡ、タンパク質、ウイルスなどの生物要素を検出するために設けられる特定の半導体部品が適用されるものもある。これら特定の半導体部品はトランジスタと称され、以下の説明において“第１型トランジスタ”とされる。

その他の活性領域１０４ｂは、特に１つ以上の信号処理回路のトランジスタである第２型トランジスタ用に設けられる（図１Ａ）。

次に、活性領域１０４ａ及び１０４ｂ上に、ＳｉＯ_２等の少なくとも１つのゲート誘電材料層１３２に続いて、ポリシリコン等の少なくとも１つのゲート材料層１３４を堆積させることによって、ゲートのスタックが形成される（図１Ｂ）。

次に、ゲート材料層１３４及び誘電材料層１３２中にパターンが作製され、それぞれ第１型及び第２型トランジスタのゲート電極のパターン１３５、１３６が形成される（図１Ｃ）。これらのパターンは、例えば少なくとも１つのフォトリソグラフィー段階、続いてエッチングを使用して形成され得る。

その後、例えばゲート１３５、１３６のそれぞれの側に位置する活性領域１０４ａ、１０４ｂのいくつかの部分に埋め込む少なくとも１つの段階を使用して、ソース及びドレイン領域をドープする段階を実施することができる。

その後、例えばＳｉ_３Ｎ_４である誘電材料層１３７が堆積され、ゲート１３５、１３６の側壁に対する絶縁領域を維持するようにエッチングが施され（図１Ｄ）、これらの絶縁領域は、それぞれ第１型トランジスタ及び第２型トランジスタのためのスペーサー１３９ａ、１３９ｂを形成する（図１Ｅ）。

第１型トランジスタのゲート１３５は、少なくとも部分的に除去されるよう設計され、生物要素を検出するための特殊なトランジスタを形成する。

例えばＳｉＯ_２である絶縁材料層１４１は、その厚さが誘電層１３２の厚さよりも厚くてよく、全てのトランジスタを被覆するように堆積される。絶縁材料１４１の堆積は、適合堆積（ｃｏｎｆｏｒｍｉｎｇ ｄｅｐｏｓｉｔ）であり得る。その後、例えば化学機械研磨（ＣＭＰ）を使用して絶縁材料層１４１の研磨を実施することができる（図１Ｇ）。

続いて、生物要素を検出するために設けられた第１型トランジスタのゲート１３５を露出させるために、絶縁層１４１中に１つ以上の穴１４３が形成される。

１つの可能性によると、それぞれが第１型トランジスタの少なくとも１つのゲート１３５を露出させる数個の穴１４３を形成することができる。

別の可能性によると、第１型トランジスタのゲート１３５のセットである数個のゲートを露出させるただ１つの穴１４３を形成することもできる。

形成された穴１４３は、所定の寸法であり、特に、ゲート１３５の上面全体が露出するように、第１型トランジスタのゲート１３５の上面より広く広がり得る。

これによって、考えられるゲートパターンに対するずれの問題が解決され得る。

例えば穴１４３は、フォトリソグラフィー、続く絶縁層１４１のエッチングによって形成され得る（図１Ｈ）。

その後、絶縁層１４１の材料に対して選択的にエッチングされるように選択された所定の材料１４４で穴１４３は充填される。

所定の材料１４４は、ゲート電極１３５、１３６を形成するために使用された材料と同一であり得る。この場合、続く所定の材料及びゲート１３５の除去を同時、または同一のエッチング段階の間に行うことが可能となり、続く第１型トランジスタのゲート１３５の除去を容易にする。

所定の材料１４４は、例えばポリシリコンであり得る。その結果、材料１４４のブロック１４５が、第１型トランジスタのゲート１３５の上部に形成される。

材料１４４は、穴１４３の開口上に影響を及ぼさないように堆積され得る。この場合、絶縁層１４１の上面の上部の領域に位置する余分な材料１４４を除去するために、例えばＣＭＰを使用した研磨段階を実施することができる。材料１４４におけるブロック１４５は、第１型トランジスタのゲート１３５の上部に維持される。

これらのブロック１４５は、これらがその上に配置されるゲート１３５より大きな臨界寸法を有し得、特に、同一面に沿って測定されたゲート１３５の表面より大きな基板の主面（基板を通過し、図１Ｊにおける直交基準［０；ｉ；ｊ；ｋ］の面［０；ｉ；ｊ］に平行な面として画定された基板１００の主面）に平行な表面を有する（図１Ｊ）。

次に、特に第２型トランジスタでは、１つ以上の多層相互接続レベルＮ_１、…、Ｎ_ｍが形成される。各相互接続レベルは、例えばＳｉＯ_２である少なくとも１つの絶縁層中に形成され、この絶縁層を通過する１つ以上の垂直導体素子１４７（すなわち、基板の主面に直交する）を備える。垂直導体素子１４７は、例えばＷにあり得、通常“バイアス”１４７と称される。各相互接続レベルはまた、たとえばＡｌＣｕである１つ以上の水平導電ライン１４９（すなわち基板の主面に平行である）の形を成している（図１Ｋ）。

次に、第１型トランジスタに対して、第１型トランジスタの上部に形成された材料１３４のブロック１４５が露出されるように、異なる相互接続レベルＮ_１、…、Ｎ_ｍが形成される絶縁層Ｃ_１、…、Ｃ_ｍにおいて１つの開口部１５３または数個の開口部１５３が形成される。

開口部１５３は、絶縁層１４１における開口部１４３を形成するために使用したマスクと同一のマスクを使用した少なくとも１つのフォトリソグラフィー段階を含む方法を利用して任意で形成され得る。

開口部１５３は、絶縁層１４１に既に形成された開口部１４３と同一の形状であり得る（図１Ｌ）。

次に、材料１３４におけるブロック１４５及びゲート材料１３４における第１型トランジスタの少なくともゲートパターン１３５の部分は、例えばゲート材料１３４をエッチングすることによって除去され得る。このエッチングは、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド（ＴＭＡＨ）を使用して実施することができる（図１Ｍ）。

第１実施形態（図示せず）によると、ゲート材料の薄さは任意で維持され得る。ゲート材料の維持される厚さは例えば、５ナノメートルから３００ナノメートルであり得、例えば第１層１３４の厚さより少なくとも薄い。

第２実施形態（図１Ｍ）によると、第１型トランジスタのゲート誘電領域１３２を露出させるようにエッチングが実施され得る。誘電材料１３２は、例えばＨＦエッチングを使用して少なくとも部分的に除去され得る。

誘電材料１３２は、例えば数オングストロームから１０ナノメートルの厚さを維持するように、任意で部分的にエッチングされ得る。

１変形例によると、活性領域１０４ａが露出されるように、誘電材料の総厚さ１３２は、例えばＨＦエッチングを使用してその後除去され得る。

その後、表面Ｓは、生物受容体Ｍｒが結合またはグラフトされる結合層１５５で化学的に機能化される。生物受容体Ｍｒは、それら自体が表面Ｓに結合する一連の結合リンカーを介して結合またはグラフトされ得る。

生物受容体のグラフトまたは結合に先立って、例えばアセトン／エタノールで洗い流すことによって第１型トランジスタのスペーサー１３６ａとチャネル領域の反対側との表面Ｓを洗浄する段階が行われ得る。その後、例えば親水基等の酸素官能基を生じさせるためにこの表面Ｓの活性化を実施することができる。この活性化は、例えばＢｒｏｗｎ型またはＣａｒｏ型の湿式法または例えばＯ_２プラズマ等の乾式プラズマを使用して実施することができる。

表面Ｓを化学的に機能化することによって、結合層１５５が形成されるかまたは結合リンカーが生物受容体Ｍｒを受容するようになる。

結合層１５５は、１ナノメートルから数十ナノメートルの間の厚さを有し得る。結合層１５５（または結合リンカー）は、有機種であり得る。

１可能性によると、層１５５に結合する生物受領体Ｍｒが求電子性である一方で、層１５５は求核性となるよう設計され得る。

この場合、結合層１５５は、１つ以上のアミン、オキシアミン、アルコール、チオール機能または基等の１つ以上の求核機能または基を有し得る。

別の実施例によると、層１５５に結合する生物受容体Ｍｒ求核型である一方で、層１５５は求電子性となるよう設計され得る。

特に機能化される領域は、第１型トランジスタのチャネル領域に面する領域であり、ゲート誘電材料１３２の厚さが維持される場合はゲート誘電材料であり得、ゲート材料１３４の厚さも維持される場合は任意でゲート材料１３４であり得る。

生物受容体Ｍｒは、結合層１５５または結合リンカーを介して表面Ｓに結合する生物分子であり、生物要素を検出する特異親和性を有し、“生物マーカー”とも称される。

生物受容体は、例えば少なくとも１つのタンパク質、または抗体（例えばＰＳＡ、ＴＳＨ型）または少なくとも１つのウイルス（例えばインフルエンザ）等少なくとも１つの生物マーカーを受容するよう設計され得るかまたは、ヌクレオチドを有してＤＮＡを受容するよう設計され得る。

生物受容体は、例えばオリゴヌクレオチド（１５〜８０塩基）、またはＰＣＲ成分すなわち数百から数万の塩基対のＤＮＡ鎖、またはタンパク質、または抗原を検出するための抗体、または生物親和性を許容する少なくとも１部位を備えた抗体の断片であり得る。

受容体の機能化は、第１型トランジスタの活性領域１０４ａの直上または上部または反対側の領域、特にトランジスタチャネル領域として作用することを目的とする第１型トランジスタの領域の直上または上部または反対側の領域において前記表面Ｓ上に形成された有機層または有機リンカー上に生物受容体を結合またはグラフトさせることによって実施することができる。

図１Ｎにおいて、生物受容体Ｍｒが結合またはグラフトされる結合層１５５を有する表面Ｓの機能化は、誘電領域１３２上でなされる。

別の可能性（図２Ａ）によると、生物受容体Ｍｒが結合またはグラフトされる結合層１５５を有する表面Ｓの機能化は、ゲート誘電材料１３２及びゲート材料１３４が第１型トランジスタのスペーサー１３９ａ間で完全に除去された場合、任意で第１型トランジスタのチャネル領域の表面上で直接実施され得る（図２Ａ）。

従って、生物プローブとも称される生物受容体は、チャネル半導体領域上または任意でゲート誘電材料の領域上に固定され得る。

前記方法によって形成された生物要素を検出するための半導体部品の機能化は、チャネル半導体領域の上または対向して形成された受容体分子上に位置するよう意図された生物要素の存在及び量に関して、半導体チャネルの導電性の変動に依存する。

１特定の実施形態によると、生物受容体Ｍｒは、ＤＮＡを受容するように設計または使用され得る。この場合、生物受容体Ｍｒは、オリゴヌクレオチド、ＰＣＲ産物、またはＤＮＡ断片を含み得る。

生物プローブＭｒは、たとえば数オングストローム、または数オングストロームから百ナノメートルの間の厚さを有し得る層の形態で表面Ｓ上に位置し得る。

生物プローブＭｒの層は、任意で例えば１ｎｍから１０ｎｍの厚さを有し得、生物受容体のいくつかの下位層を形成し得る。

生物プローブまたは受容体分子は、表面Ｓに共有結合するかまたは吸着され得る。１以上の共有結合を介した前記分子との結合により、向上したロバスト性が得られる。

前述のように、受容体分子Ｍｒは少なくとも１つの特定の化学リンカーを介して表面Ｓに結合され得、生物プローブの結合及び／または生物プローブの受容体領域と有機リンカーとの間の剛性、導電性等の有機／無機界面の特性の適応を容易にし得る。特定の化学リンカーが生物プローブと結合するよう意図されている場合、共有結合または例えば疎水型または分子間力型の相互作用等の静電相互作用を形成するように、これらのリンカーは生物プローブと反応することが可能な化学的機能を有する。例として、“リンカー”と“生物プローブ”との間の共有結合は、例えばアルキン基とアジド基との反応から例えば以下の種類：Ｃ−Ｎ、Ｃ＝＝Ｎ（イミン）、Ｃ−Ｏ、アミド、エステル、トリアゾールのいずれかの結合を形成し得る。

生物プローブＭｒ及びそのリンカーは、プローブが表面Ｓに結合できるように適応された化学基を含む。

表面ＳがＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ＴｉＯ_２等の誘電材料である場合、使用される生物プローブＭｒまたはリンカーは、例えば−ＳｉＨ３、Ｒ−ＳｉＸ３、Ｒ２ＳｉＸ２、Ｒ３ＳｉＸ（Ｒは炭素基であり、Ｘはハロゲンまたはアルコキシ型の脱離可能な基、またはリン酸塩またはホスホン酸塩である）等のシラン基を有し得る。

結合がなされた表面Ｓが、シリコン等の半導体材料である場合、受容体Ｍｒを結合させるために、使用され得る官能基は、例えばアルケン、アルキン、アルコキシ、フェノール、ジアゾニウム、及びハロゲン化物基を使用したＳｉ−ＣまたはＳｉ−Ｏ結合を含み得る。

受容体層の種類に応じて、例えば１ナノメートル程度の薄い層及び１００ナノメートル程度の厚い層、単層または多層を形成することが望ましく、生物プローブの結合は別に実施されることができる。

単層及び／または薄い層を形成することが望ましい場合、任意で１つ以上の触媒存在下で、例えば結合される分子、すなわち生物プローブＭｒ及び／またはリンカーを含有する溶媒に表面Ｓを浸漬させることによって形成することができる。

例えばＩ．Ｒ．Ｐｅｔｅｒｓｏｎ，“Ｌａｎｇｍｕｉｒ Ｂｌｏｄｇｅｔｔ Ｆｉｌｍｓ”Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｄ２３，４，（１９９０）３７９−９５に記載されたようないわゆる“ラングミュアーブロジェット”法を使用することも可能である。

求核基を有する受容体を結合させる方法の第１実施例を図３と関連して示す。

求核基を有する受容体を結合させるためには、まず第１に、グラフティングが実施される表面を活性化させなければならない。

例えばトルエン等の無水溶媒におけるシラン化は、エポキシド基の獲得につながり得る。このシラン化によって、求核基を有する受容体分子と反応性を有する表面上にエポキシド型の官能基を得ることができる。

その後、受容体分子は固定され、不可逆的に結合される。この不可逆的固定は、酸、塩基または中性媒体における求核基でエポキシド鎖を開くことによって得られる共有結合を形成することによってなされ得る。

エポキシド基をジオールを経てアルデヒド基に変換し、生物分子と結合させることも可能である。

この第２手段は、より多くの段階を含むが、使用前に表面を安定な状態（ジオール）に維持することが可能となる。

例えば受容体分子ＭｒがＤＮＡ鎖を受容するよう意図されているような結合方法の第２実施例によると、まず第１に、エポキシド基を得て、受容体プローブを固定するように、表面Ｓは化学的に調製される。本実施例において、受容体プローブは核酸フラグメントの形態である。

エポキシド基は、例えば圧電ヘッドを備えたロボットを使用した堆積によって形成され得る。プローブは、相補的標的とハイブリッド形成される。

例えばＮＨ_２基によって修飾されたオリゴヌクレオチドは、圧電ヘッドを備えたロボットを使用して、０．３ＭのＮａ_２ＨＰＯ_４等の食塩水において例えば１０ｔＭ程度の濃度で堆積させることができる。堆積される液適量は、例えば数百ピコリットル程度であり得る。

例えば約１５時間の反応時間の後、そこに結合されることが望ましいが表面と反応しなかった余剰のプローブを除去するために洗浄が施される。この洗浄は、例えば水、及び０．３ＭのＮａ_２ＨＰＯ_４の塩基溶液、及び／または例えば０．１Ｍ程度の濃度のＮａＢＨ４含有還元溶液において実施され得る。

受容体プローブはその後、約数ｆＭから数μＭの間で変化し得る濃度で、例えば２０ｍｅｒの相補的標的によってハイブリッド形成される。

前記方法を使用して形成されたトランジスタは、標的をグラフトすることによってＤＮＡ鎖を受容した後に、静電気環境における電荷にさらされるチャネル領域のコンダクタンスまたはコンダクタンスの変動を測定することによって、荷電標的ＤＮＡ鎖の検出を実施するために使用することができる。

図１Ａ〜１Ｎとあわせて上記で説明したようなマイクロエレクトロニクス装置の製造に戻ると、生物プローブＭｒは“スポッティング”として知られている技術を使用して堆積されることもできる。

１可能な実施によると、異なるプローブ、すなわち生物受容体Ｍ_ｒ１、Ｍ_ｒ２、Ｍ_ｒ３の異なる分子が１つの同一のチャネル領域に対向して結合され得る（図２Ｂ）。“スポッティング”法を使用すると、例えば異なるプローブＭｒ１、Ｍｒ２、Ｍｒ３を１つの同一基板上の異なる箇所に堆積させることが可能である。

生物受容体Ｍｒは、拘束されない状態であるかまたは別の可能性によると（図２Ｃ）、ゾルゲルまたはポリマー型の材料であり得る“マトリックス”層と称される数ナノメートルから数百ナノメートルの間の厚さを有する層１５７中に封入されるかまたは被覆され得る。その形成に応じて、流体が侵入できるようにこの材料は多孔性であり得る。

例えばポリマーである厚い封入マトリックス１５７は、浸漬及び回収段階を含むゾルゲル法、またはスピンコート法、または層状コート、またはスプレーを使用して形成することができる。マトリックス１５７における前記封入によって、より高い分子表面密度を有するトランジスタを使用することが可能になる。マトリックスがない場合、例えば１，０００分子／μｍ^２程度の密度を得ることができる。封入がある場合、例えば１００，０００分子／μｍ^２程度の密度を得ることができるため、検出システムの感度及び／またはロバスト性が向上する。

受容体分子Ｍｒが機能化されるとすぐに、開口部１５３を通して流体、特に液体例えば緩衝溶液を加えることができる。前記液体は、分析される生物要素を受容または包含するよう意図され、生物受容体によって受容されることができる（図１Ｏ）。

封入は、例えば検出回路上部に被膜を形成することによって検出回路の周りに形成することができる。

特に流体、例えば生物緩衝溶液を密封することができるように、密閉封入が形成され得る。

密閉は、接着剤、例えばＵＶ活性型接着剤を使用したシルクスクリーン印刷によって施され得る。前記密閉方法は、生物要素の受容体分子Ｍｒを劣化させ得る高温の方法を使用しないことが可能となる。

生物マーカーを運ぶ目的の生物流体を循環させ、受容体分子Ｍｒを有する第１型トランジスタの領域Ｓ上に配置させるために、例えば１００μｍ程度の内径を有するガラス毛管が装置内に設けられ得る。

この説明した方法によって、生物検出のための特殊なトランジスタ及び生物要素を検出するトランジスタによって得られた信号を処理するために設計され得るゲートを有するトランジスタの両方を１つの同一基板上に備えた装置の実装が可能となる。生物要素を検出するための特殊なトランジスタは、半導体チャネルと、チャネルに対向する表面に結合された受容体分子とを備えた部品であり、チャネルの導電性は受容体分子上に存在する生物要素に関連して変動する。

前述のような方法によって、マイクロエレクトロニクス装置、特に診断、事前診断または医療診断の一部を実施するためのチップの使用が可能となる。図１Ａ〜１Ｎを参照して説明した種類のマイクロエレクトロニクス法を使用して製造した生物要素を検出するためのチップの１実施例を図４に示す。

チップは、生物要素及び特に生物マーカー（図１Ａ〜１Ｎとあわせて説明したようなもの）を検出するためのトランジスタを備えた回路または生物検出モジュール２００を備える。この検出モジュールは、検出回路によって供給された電気信号を処理するための回路２２０またはモジュール２２０へと電気測定信号を供給するためのものである。この回路は、測定結果をデジタルデータに変換するために、検出された信号を読み取り、測定されたデジタルデータがその後処理されるように設計され得る。特に、増幅、比較、アナログ−デジタル変換フィルター等の処理が実施され得る。モジュール２２０は、生物検出トランジスタのコンダクタンスにおける変動を検出するように設計され得、このコンダクタンスにおける変動は、増幅された後に、２値デジタル信号を送ることができるコパレータを介してＯＴＰレジスタを利用して決定された閾値と比較される。

この情報は、診断の一部を実施し、“タイマー（ＴＩＭＥＲ）”として知られているシーケンサーモジュール２３０をプログラミングすることによって固定された規定時間の後に、分子Ｘの濃度が規定の閾値を超過しているか否かを判断するために使用され得る。このタイマー２３０は、特に生物検出モジュール２１０、モジュール２２０及び少なくとも１つのメモリ２４０に時間基準を与えるために備えられる。

タイマー２３０は、検出の順序、測定の回復及びその記憶を管理することを目的とする。前記順序は、実施される診断の用途及び種類に応じて調整される。

データメモリ２４０は、モジュール２２０から送られた測定データを保存するために設けられることができる。

プログラムメモリモジュール２５０または例えば一回限りプログラム可能なＯＴＰ等のプログラム可能なレジスタ２５０もまた設けることができる。前記モジュールは、記録された基準値または記録された基準値の範囲を含み得る。記録された基準値は例えば検出される生物マーカー等の生物要素の基準量であり得る。

チップの各ブロックは、測定の時間基準または測定の順序を実施される診断に適応させるように、モジュール２５０を介してプログラムされたタイマー２３０を介して、稼動または停止した状態で配置され得る。診断または第１測定または測定の第１シリーズに必要な時間が経過すると、タイマー２３０は測定処理モジュール２２０を作動させ、メモリ２４０において測定、処理されたデータの記憶を始動させる。

電源レギュレータ２６０は、例えば電池によって供給される例えば２．５ボルトまたは３．３ボルトに達することが可能な第１電圧を、異なるモジュール２１０、２２０、２３０、２４０の技術に適応する例えば１．８ボルト程度の電圧である第２電圧に変換することができる。さらに、一般的にベンチトップ供給または安定共有といわれる外部電圧源を使用することも可能である。

コネクタ２７０は、電源レギュレータ２６０と１つ以上のその他のモジュールとの間、例えばレギュレータとメモリ２４０、２５０との間に設けられ得る。

コネクタ２７０は、例えばメモリ２４０の内容を読み取るために、回路を外部と接続するかまたはＯＴＰレジスタ２５０をプログラムするかまたは回路に電力を供給するために設けられ得る。

ディスプレイ装置２９０をチップ上に設けることも可能である。

既定の時間または期間Ｔの後、１つ以上の生物マーカーの存在の測定が実施され得る。

１特定の用途によると、前記チップは診断または事前診断または医療診断の一部のために設けられているかまたは実施するために使用され得る。

診断または事前診断を行うために、一連の異なる試験または自動作業をチップによって実施することができる。

これらの作業において、チップは、
−検出回路によってなされた測定データの記憶と、
−レジスタ２４０に記憶された基準値または基準値の範囲と測定値との比較と、
を実施するように適応される。

チップはまた、検出回路によって測定された測定値と基準値との差を検出するために使用されることができる。

本発明による生物要素を検出するためのチップによって実施されることができるいくつかの操作または試験についてここで説明する。

例えば少なくとも１つの第１生物マーカーの発現を時間内に検出するために、ＯＲ型の論理演算を含む“アラートテスト”と称される試験を実施することができる。

チップは、１つ以上のプロファイルを測定するために使用され得、それぞれが検出時間にわたって検出された少なくとも１つの所定の生物マーカーの量を表す。前記プロファイルは、検出時間にわたって回収された生物マーカーまたは要素の検出量に関する一連の不連続なデータの形態であり得る。

チップはさらに、例えばこれらのプロファイルの基準または参照プロファイルとの少なくとも１つの比較を測定するために使用され得る。

その後、１つ以上のプロファイルの比較に続いて、これらの測定されたプロファイルが基準または参照プロファイルに対応するまたは近似しているか否かを示すために、“ｙｅｓ／ｎｏ”型の試験を実施することができる。

実施された測定から算出されたデータをいくつかの既定レベルの中から例えば疾病リスクレベル指標と結びつけるために使用される“半定量”試験と称される別の型の試験を実施することもできる。

従って、チップはまた、生物マーカー等の生物要素の量と基準値の範囲との１つ以上の比較を測定し、この比較に関連して疾病リスクのレベル指標などのレベル指標を示すために使用されることができる。

半定量試験は、例えば異なるマーカーの３範囲の量値に対応する“低”、“中”、“高”の３つの異なるリスクレベルの中からリスクレベルを示すために実施されることができる。

半定量試験用のアルゴリズムの１例は、以下の通りであり得る。
−Ｉｆ ｍａｒｋｅｒ＿１＝ｈｉｇｈ ＯＲ ｍａｒｋｅｒ＿３＝ｈｉｇｈ， ｔｈｅｎ ｒｉｓｋ＿ｌｅｖｅｌ＿１＝５
−Ｉｆ ｍａｒｋｅｒ＿１＝ｈｉｇｈ ＯＲ ｍａｒｋｅｒ＿２＝ｈｉｇｈ， ｔｈｅｎ ｒｉｓｋ＿ｌｅｖｅｌ＿２＝ｈｉｇｈ
−Ｉｆ ｒｉｓｋ＿ｌｅｖｅｌ＿１＋ｒｉｓｋ＿ｌｅｖｅｌ＿２＞ＴＨＲＥＳＨＯＬＤ， ｔｈｅｎ 診断は陽性

値の範囲は、初回診断または事前診断を判断するのに有用であり得る。

異なる疾病または病理の診断のための前述のチップの応用例を以下に示す。

第１応用例は、心筋梗塞に関するものである。

この病理の検出に使用された異なるマーカーの発現の動態の例を以下の表１に示す。

例えば、この病理の発現リスクの診断を確認するために、ミオグロビン等の初期マーカー（２〜３時間）の検出をＣＫ−ＭＢまたはトロポニンＴ及びＩ等の確定的なマーカーと関連付けることが可能である。

また、ミオグロビンをモニタし、既定の閾値を超過してミオグロビンレベルが増加した場合、自動的に他のマーカーのモニタに移行することができるような試験を考慮することも可能である。これによって、全てのマーカーを同時にモニタする必要がなくなり、例えばデータフローまたはチップ消費を減少させることが可能となる。

以下の表２には、初期、確定的または遅延診断に使用されることができるマーカー、及び壊死のサイズまたは再かん流の成功を判断する生物マーカーの例を示す。

第２応用例は、ＨＩＶ（ヒト免疫不全ウイルス）検出プロセスに関する。本応用例では、３種類の異なるマーカーの検出を使用することができる。

図５には、時間に応じてＨＩＶ検出に使用されたマーカーの量を表す曲線の例を示す。

第１初期マーカーは、ＨＩＶ−１ ＲＮＡ（図５における曲線Ｃ１）である。

ＨＩＶ−１ ＲＮＡレベルのモニタを実施することができる。このレベルが著しく上昇し、既定の閾値を超過した場合、第２マーカーＡｇＰ２４（曲線２）及び任意で第３マーカーＡｃ ａｎｔｉ−ＨＩＶ１（曲線３）のモニタを開始することができる。

第３応用例は、癌マーカーの検出である。

マーカーが“中”まで上昇した場合、癌の事実上の存在というよりむしろ良性の原因に起因し得る。

しかしながら、いくつかのマーカーが“相当量”まで上昇した場合は重要な意味を表し得る。

マーカーの量の警戒閾値を決定し、検出されたマーカーの量に応じてこれらの量を癌リスクレベルと関連付けることができる。

異なる癌病理及びそれぞれのマーカーの例を以下の表３に示す。

以下の表４は、前表に示すマーカーに関して、“強”または“中”として認定され得る増加を示す。

１００ 半導体キャリア
１０１ 絶縁層
１０２ 半導体層
１１０ 第２型トランジスタ
１２０ 第１型トランジスタ
１３２ ゲート誘電材料
１３４ ゲート材料
１３５ ゲート電極パターン
１３６ ゲート
１３７ 誘電材料
１３９ スペーサー
１４１ 絶縁材料
１４３ 穴
１４５ ブロック
１５３ 開口部
１５５ 結合層
１５７ 封入層
２１０ 生物検出モジュール
２２０ モジュール
２３０ シーケンサーモジュール
２４０ メモリ
２５０ レジスタ
２６０ 電源レギュレータ
２７０ コネクタ
２９０ ディスプレイ装置

Claims (8)

1. 生物要素を検出するための少なくとも１つの回路を備えたマイクロエレクトロニクス装置の製造方法であって、
   ａ）それぞれが少なくとも１つのゲート誘電層上に少なくとも１つのゲート材料（１３４）で少なくとも１つの層の形状を成し、チャネル領域（１０４ａ、１０４ｂ）上に位置する少なくとも１つのゲート（１３５、１３６）を備えた複数のトランジスタを基板上に形成する段階と、
   −前記トランジスタを被覆する少なくとも１つの絶縁材料（１４１）で少なくとも１つの層を堆積する段階と、
   −前記トランジスタのうちの第１のトランジスタのそれぞれのゲート（１３５）の上面が露出されるように前記絶縁材料（１４１）の層に１つ以上の穴（１４３）を形成する一方で、前記トランジスタのうちの１つ以上のその他の第２のトランジスタを絶縁材料（１４１）で被覆する段階と、
   −絶縁材料に対して選択的にエッチングされることができるように選択された前記ゲート材料（１３４）で前記穴（１４３）を充填し、充填によって、それぞれが前記第１のトランジスタのゲート（１３５）の上面に位置する前記ゲート材料（１３４）のブロック（１４５）が形成されることが可能となる段階と、
   ｂ）前記ゲート材料の前記ブロックを除去し、前記第１のトランジスタのそれぞれのゲート（１３５）の少なくとも一部を除去する一方で、前記トランジスタのうちの第２のトランジスタのそれぞれのゲート（１３６）を保護する段階と、
   ｃ）１つ以上の生物マーカー（Ｍｒ、Ｍｒ１、Ｍｒ２、Ｍｒ３）を受容することを目的とした生物受容体を前記第１のトランジスタのチャネル領域に面して位置する表面（Ｓ）上に結合させる段階と、
   を含む方法。
2. 前記穴（１４３）が、前記第１のトランジスタのゲートの上面の表面より大きな表面を有する底部を備えることを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記ゲート材料（１３４）で前記穴（１４３）を充填した後に、１つ以上の絶縁層を形成し、前記第２のトランジスタに面する１つ以上の相互接続金属レベル（Ｎ１、…、Ｎｍ）を形成する請求項１または２に記載の方法であって、
   前記方法が、前記第１のトランジスタに対向して、前記ゲート材料のブロック（１４５）を露出させるように前記絶縁層において１つ以上の開口部（１５３）を形成する段階をさらに含み、段階ｂ）において前記ゲート材料を除去する段階と、前記ゲート材料を除去する段階とが前記開口部（１５３）を通してなされることを特徴とする方法。
4. 前記生物受容体が、特に有機種の結合層（１５５）または結合リンカーを介して結合されることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記生物受容体が、前記第１のトランジスタのチャネル領域（１５０ａ）上または前記第１のトランジスタの前記ゲート誘電層（１３２）上に形成された結合層または結合リンカー（１５５）を介して結合されることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. 前記生物受容体が、封入層（１５７）中に挿入されていることを特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記生物受容体が、少なくとも１つのタンパク質、または少なくとも１つのウイルス、または少なくとも１つの抗原等少なくとも１つの生物マーカーを受容するよう設計されているかあるいはヌクレオチドを有してＤＮＡを受容するよう意図されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか一項に記載の方法。
8. 段階ｃ）の後に、検出される生物要素の輸送手段として作用するよう意図されている少なくとも１つの液体で前記開口部（１５３）を充填する段階をさらに含むことを特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の方法。