JP6900463B2 - 分子認識のためのマイクロ流体アレイ内のトンネル接合 - Google Patents

Description

本出願は、トンネル接合を使用して分子を分析するための方法およびシステムまたは器具に関する。そのような分子の分析は、核酸などの生体高分子を配列決定することを含み得る。

単一分子（例えば、核酸）を分析するための潜在的な技術は、２つの電極間にサブ分子サイズの空隙を有するトンネル接合デバイスを含む。分子が２つの電極と接触すると、分子は、トンネル電流を作り出し得る。トンネル電流は、分子の一部分を特定するために分析され得る。空隙の寸法は、２ｎｍ未満またはサブナノメートルさえも含む、ナノメートルのオーダーであり得る。このサイズの空隙を作成することは、精密かつ高価な技術を必要とし得る。トンネル接合のためのツールセットおよびプロセスは、現在開発中であるハードドライブおよび不揮発性メモリデバイスのための磁気接合を製造するために磁気記録媒体産業によって開発されてきた（Ｗ．Ｚｈａｏら、「Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｉｎ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ Ｎａｎｏｐｉｌｌａｒ ｗｉｔｈ Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ Ｐｅｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ」、Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｖｏｌ．９，４１，２０１６、Ｐ．Ｔｙａｇｉ，Ｅ．ＦｒｉｅｂｅおよびＣ．Ｂａｋｅｒ、「Ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ Ｐｒｅｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｔｕｎｎｅｌ Ｊｕｎｃｔｉｏｎ−Ｂａｓｅｄ Ｓｐｉｎｔｒｏｎｉｃ ｓ Ｄｅｖｉｃｅｓ」、ＮＡＮＯ：Ｂｒｉｅｆ Ｒｅｐｏｒｔｓ ａｎｄ Ｒｅｖｉｅｗｓ，Ｖｏｌ．１０，１５３０００２，２０１５）。

電極間にそのような小さい空隙を有するデバイスは、電気的短絡などのデバイス故障が起こりやすいことがある。さらには、２つの電極間にそのような薄い層を維持することは困難である。トンネル接合デバイスの設計および製造可能性における改善は、特に単一分子を分析するために、依然として必要とされている。理想的には、設計および製造可能性改善は、正確かつ精密な分析を犠牲にして成り立つべきではない。これらおよび他の問題は、本文書において説明される技術によって解決される。

本技術の実施形態は、トンネル接合におけるトンネル認識によって分子の分析（例えば、核酸分子の配列決定）を可能にし得る。本技術のトンネル接合は、２つの電極間に絶縁層を含むことができる。電圧が電極に印加され得る。分子が両方の電極と接触すると、分子は、電流が分子をトンネルすることを許す。電流の特性は、分子の一部分、例えば、核酸分子内に存在する特定のヌクレオチドまたは塩基を特定することに役立ち得る。

本技術の実施形態はまた、複数のトンネル接合にわたる分子の繰り返しトンネル電流測定、または他の電気特性測定を可能にし得る。分子との電極の接触点は、分子が別のトンネル接合デバイスへ移動して、そのデバイスの電極と接触することができるように配向され得る。その際、トンネル方向は、基板に直交ではなく基板と平行であり得る。この配向において、基板にわたる電界または圧力勾配は、分析されるべき分子を１つのトンネル接合から別のトンネル接合へ移動させることができる。その際、分子は、数百、数千、または数万のトンネル接合など、複数のトンネル接合と接触することができる。その結果、より良い統計が分子または分子の一部分を特定するために展開され得る。

いくつかの実施形態において、絶縁層は、最小厚さが、分子が電極に接触するときに、絶縁層の分子に最も近い部分であるようにテーパ付けされ得る。最小厚さは、ナノメートル、さらにはサブナノメートルのオーダーであり得る。絶縁層の他の部分において増大された厚さを有することによって、分子からの電流または他の電気特性シグネチャは、絶縁層のより厚い部分ほどトンネルする電子が少ないため、検出がより容易になり得る。加えて、絶縁層のより厚い部分は、欠陥を有するまたは電気的短絡を許す可能性が低くなり得る。さらには、テーパ付けされた絶縁層はまた、ナノメートルスケールで均一の厚さを有する絶縁層よりも製造が容易であり得る。

いくつかの実施形態において、トンネル接合デバイスは、分子が実質的に線形または非コイル状の分子として流路を通って流れることができるように、流路を形成するように配向され得る。分子は、第１のトンネル接合デバイスの電極に逆らって流れ、次いで、第２のトンネル接合デバイスの電極に向かって移動し得る。これらのデバイスの配向が、分子が巻き付くことを防ぐようなやり方で分子を強制的に移動させ、分子が複数のデバイスに接触し、各デバイスにトンネル電流または他の電気特性を記録することを可能にする。

従来の垂直トンネル接合のシステムを示す図である。 本技術の実施形態に従うトンネル接合のシステムを示す図である。 本技術の実施形態に従う、側方にテーパ付けされるトンネル接合のシステムを示す図である。 本技術の実施形態に従う、垂直にテーパ付けされるトンネル接合のシステムを示す図である。 本技術の実施形態に従う、テーパなしのトンネル接合を示す図である。 本技術の実施形態に従う、テーパなしのトンネル接合を示す図である。 本技術の実施形態に従う、側方にテーパ付けされたトンネル接合のシステムを示す図である。 本技術の実施形態に従う、分子を分析する方法を示す図である。 本技術の実施形態に従う、分子を分析するためのデバイスを製造する方法を示す図である。 本技術の実施形態に従う、垂直にテーパ付けされたトンネル接合デバイスを製造する例示的な方法を示す図である。 本技術の実施形態に従う、垂直にテーパ付けされたトンネル接合デバイスを製造する例示的な方法を示す図である。 本技術の実施形態に従う、側方にテーパ付けされたトンネル接合デバイスを製造する例示的な方法を示す図である。 本技術の実施形態に従う、側方にテーパ付けされたトンネル接合デバイスを製造する例示的な方法を示す図である。 本技術の実施形態に従うコンピュータシステムを示す図である。 本技術の実施形態に従う分析システムを示す図である。 本技術の実施形態に従うコンピュータシステムを示す図である。

本発明の実施形態の本質および利点のより良い理解は、以下の詳細な説明および添付の図面を参照して得られ得る。以下において、「システム」および「器具」という用語は、同義で使用される。

定義：
「接触する」という用語は、１つの物体を別の物体に接近させ、その結果、電子が１つの物体から他方の物体をトンネルすることができることを指し得る。亜原子レベルでは、２つの物体は、物体内の電子雲からの反発力が物体がより近接することを防ぎ得るため、決して互いに物理的に接触し得ない。

「核酸」は、デオキシリボヌクレオチドまたはリボヌクレオチド、および一本鎖または二本鎖いずれかの形態にあるそれらのポリマーを指し得る。この用語は、知られているヌクレオチド類似体または修飾された骨格残基もしくは連結を含む核酸を包含し、これは、合成、天然由来、および非天然由来であり、参照核酸と類似する結合特性を有し、参照ヌクレオチドと類似する様式で代謝される。このような類似体の例としては、限定されないが、ホスホロチオアート、ホスホラミダート、メチルホスホナート、キラル−メチルホスホナート、２−Ｏ−メチルリボヌクレオチド、ペプチド−核酸（ＰＮＡ）が挙げられ得る。

別途記載のない限り、特定の核酸配列はまた、黙示的に、その保存的に修飾された変異体（例えば、縮重コドン置換）、および相補配列、ならびに、明示的に示された配列を包含する。具体的には、縮重コドン置換は、１つまたは複数の選択された（またはすべての）コドンの第３の位置が、混合基および／またはデオキシイノシン残基と置換されている配列を生成することによって達成されてもよい（Ｂａｔｚｅｒら、Ｎｕｃｌｅｉｃ Ａｃｉｄ Ｒｅｓ．１９：５０８１（１９９１）、Ｏｈｔｓｕｋａら、Ｊ．Ｂｉｏｌ．Ｃｈｅｍ．２６０：２６０５−２６０８（１９８５）、Ｒｏｓｓｏｌｉｎｉら、Ｍｏｌ．Ｃｅｌｌ．Ｐｒｏｂｅｓ８：９１−９８（１９９４））。核酸という用語は、遺伝子、ｃＤＮＡ、ｍＲＮＡ、オリゴヌクレオチド、およびポリヌクレオチドと同義で使用される。

「ヌクレオチド」という用語は、天然由来リボヌクレオチドまたはデオキシリボヌクレオチドモノマーを指すことに加えて、文脈により別途明確に示されない限り、ヌクレオチドが使用される特定の文脈に関して機能的に等価である（例えば、相補的塩基へのハイブリダイゼーション）、誘導体および類似体を含む、それらの関連する構造変異体を指すことが理解されるものとする。

「電気特性」という用語は、電気回路に関する任意の性質を指すことが理解されるものとする。電気特性は、電圧、電流、抵抗、インピーダンス、インダクタンス、または静電容量、およびそれらの時間変動（例えば、電流周波数）を指し得る。

磁気記録媒体産業において商用使用される従来のトンネル接合デバイスは、核酸および他の生体高分子を含む分子のトンネル認識分析には好適ではない。生体高分子は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、ｃＤＮＡ、ｍＲＮＡ、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、アミノ酸、タンパク質、ポリペプチド、炭水化物、および／または脂質を含み得る。磁気記録媒体産業における従来のトンネル接合デバイスはまた、トンネル接合が、分子との繰り返し接触または分子の測定を可能にするように配向されないことから、トンネル認識には好適ではない。

Ｉ．磁気媒体産業におけるトンネル接合
図１は、磁気媒体産業において商用使用される従来のトンネル接合デバイスのシステム１００を示す。デバイスは、絶縁基板１０２上に製作される。デバイスは、第１の金属層１０４を含む。絶縁層１０６は、第１の金属層１０４の上にある。第２の金属層１０８は、絶縁層１０６の上にある。この構成は、製作するのには都合がよい可能性あるが、本構成は、分子を分析するのには理想的ではない。

トンネル電流を生成するため、分子は、垂直に積層される第１の金属層１０４および第２の金属層１０８に接触しなければならない。その結果、トンネル方向は、図１に見られるように垂直である。トンネル方向に沿って進行する分子は、単一デバイスのみと接触することになり、複数デバイスに接触しない。したがって、分子は、複数の電流測定値ではなく、図１では１つのみの電流測定値を生成し得る。電流測定値は、電流測定値の大きさが数十から数百ピコアンペア（ｐｉｃｏａｍｐ）のオーダーであり得ることから、および分子が目的とするすべての部分において（例えば、核酸のすべてのヌクレオチドについて）デバイスに適切に接触しない場合があることから、ノイズが多い場合がある。

分子についての測定値の数を増大させることは、分子を分析するためのより高い正確性を提供する助けとなるが、図１は、分子の繰り返し可能な測定値を一貫して提供することができない。その結果、これらの従来のトンネル接合デバイスは、核酸または他の分子を分析するための正確かつ信頼性の高い方法を可能にしない場合がある。

ＩＩ．トンネル接合デバイスの配向およびテーパ付け
図２は、本技術の実施形態に従うトンネル接合デバイスのシステム２００を示す。絶縁層２０２は、第１の金属層２０４と第２の金属層２０６との間にある。図１とは異なり、３つの層すべてが、絶縁基板２０８と接触状態にある。その結果、トンネル方向は、図２に見られるように、水平である。水平なトンネル方向では、分子は、絶縁基板２０８に沿って複数のデバイス２１０、２１２、２１４、および２１６に接触することができる。

トンネル接合は、分析されるべき分子に接触する側が絶縁構造体の反対側の（例えば、図２では、図の上部に向かう）デバイスの側にあるように、配向され得る。この配向では、デバイス２１０、２１２、２１４、および２１６の上部に沿って図２では左から右に移動する分子の進路が、複数のデバイス内にトンネル電流を生成し得る。図２におけるデバイスの上部に沿った分子のこの潜在的な進路は、点線矢印２１８によって示される。電流メータ２２２が示されるが、電流メータ２２２は、電圧メータまたは任意の他の電気メータであってもよい。同様に、図面のいずれかに示される任意の電流メータは、電圧メータまたは他の電気メータであってもよい。デバイスの上部は、略平面であり得る。例えば、デバイスの上部は、ナノポアトンネル接合内のものなど、円筒の曲面の部分を形成できない。

他の実施形態において、トンネル接合は、分子に接触する側が、絶縁基板に直交であるデバイスの側（例えば、図２では、図を見る人に対向する側）にあるように配向され得る。この配向では、図２では左から右に移動しかつ絶縁基板の表面に沿った分子の進路が、複数のデバイス内にトンネル電流を生成し得る。この潜在的な進路は、点線矢印２２０によって示される。点線矢印２２０に沿った絶縁基板の表面は、略平面であり得る。例えば、絶縁基板の表面は、円筒の曲面の部分を形成することができない。複数のデバイスによって測定値を提供することによって、図２に示されるデバイスの配向は、従来の接合デバイスに対する改善を提供する。

デバイスの改善された配向に加えて、実施形態は、絶縁層をテーパ付けすることを含み得、これが、信頼性、正確性、および製造可能性を改善し得る。ＤＮＡなどの分子を分析するためのトンネル接合は、ナノメートル（例えば、１〜２ｎｍ）のオーダーでの厚さを有する絶縁層を必要とし得る。垂直層のための電流処理技術は、側壁粗さ、または厚さと同じ大きさのオーダーを有する他の変動を結果としてもたらし得る。一部の領域において、絶縁層は、１〜２ｎｍより薄くてもよく、金属層に接触する分子の存在なしに、電子がトンネルすることを可能にし得る。加えて、１〜２ｎｍの薄く、均一な絶縁層が製作され得るとしても、電子は依然として、１つの金属層から他の層へ、潜在的には絶縁層の表面積全体にわたって絶縁層をトンネルし得る。

このバックグラウンドトンネル電流は、分子が２つの金属層に接触するときを検出するのを困難にし得る。テーパ付けは、絶縁層の厚さが分子との接触点の近くのみでトンネル接合に好ましい厚さ（例えば、ナノメートルのオーダー）であることを可能にし得る。残りの絶縁層は、接触点以外の領域において最小厚さよりも大きい厚さを有し得る。この様式で絶縁層をテーパ付けすることによって、バックグラウンドトンネル電流は低減され得る。追加の１オングストロームの厚さにより、トンネル電流を一桁低減することが予測される。絶縁層をテーパ付けすることによって、分子をトンネルする電子からの電流は、絶縁層をトンネルする電子のバックグラウンド電流が存在するときを検出するのがより容易であり得る。絶縁層をテーパ付けすることはまた、ピンホールを介した接合短絡および他の欠陥を低減することができる。その結果、テーパ付けは、機能化デバイスの収率を増大させることができる。テーパ付けはまた、接合の横断面積を効果的に低減することができ、それによりトンネル電流の大きさを低減し、構造体を分子認識のためにより好適にし得る。いくつかの実施形態は、テーパ付けを含まない場合がある。例えば、含まれる図のうちのいくつかは、テーパ付けを含まない場合があるが、一連のトンネル接合デバイスまたはトンネル接合デバイスのアレイを含むことができる。

そのようなデバイスは、従来のトンネル接合デバイスのための方法に対して改善される製造方法を可能にし得る。例えば、実施形態は、特定の製作ステップが接合を空気に曝露することなく真空下で実施されることを可能にし得る。接合領域はまた、汚染および短絡を引き起こす可能性のあるフォトレジストおよび反応イオン腐食プロセスに曝露されない場合がある。そのような製造方法は、高密度フィルムを生成し得、これらの高密度フィルムは、サイズがナノメートルまたはサブナノメートルである薄い接合の製作を可能にし得る。

したがって、本技術の実施形態は、分子が複数のデバイス内にトンネル電流を生成することを可能にし、トンネル電流または他の電気特性が確実かつ繰り返して測定されることを可能にするトンネル接合デバイスを含み得る。システムおよび方法のさらなる詳細は以下に説明される。

ＩＩＩ．デバイスのシステム
Ａ．テーパ付き絶縁材料の配向が異なるデバイスのアレイ
図３Ａは、本発明の実施形態に従う、分子を分析するためのシステム３００を示す。分子システム３００は、デバイス３０２を、例えば、一連のそのようなデバイスの部分として、含む。デバイス３０２は、第１の導電素子３０４および第２の導電素子３０６を含む。第１の導電素子３０４は金属を含み得、第２の導電素子３０６は金属を含み得る。金属は、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、または白金を含む、白金族金属を含み得る。いくつかの実施形態において、金属は、水または空気の存在下で酸化し得ない。

デバイス３０２はまた、デバイス３０２の第１の端３１４において最小厚さに達するための方向にテーパ付けされた絶縁層３０８を含み得る。図３Ａでは、テーパの方向は、図３Ａにおける視点によって隠されたデバイス３０２の裏側から第１の端３１４まで第１の導電素子３０４の縁に平行である。デバイス３０２は、垂直にテーパ付けされるのではなく、側方テーパであると見なされ得る。例として、最小厚さは、１ｎｍ未満、１ｎｍ〜２ｎｍ、２ｎｍ〜３ｎｍ、３ｎｍ〜４ｎｍ、４ｎｍ〜５ｎｍ、または５ｎｍ超であり得る。テーパ角度は、５度以下、５度〜１０度、１０度〜２０度、２０度〜３０度、３０度〜４０度、４０度〜４５度、４５度〜５０度、または５０度超であり得る。テーパを説明する線は、傾き、つまり垂直を水平で割ったもの（ｒｉｓｅ ｏｖｅｒ ｒｕｎ）を有する。テーパ角度は、傾きのアークタンジェントである。言い換えると、図３Ａでは、テーパ角度は、第１の端３１４の頂点における絶縁層３０８によって形成される三角形の角度の半分である。製造プロセスおよび製造ムラは、第１の端の近くに位置付けられるが第１の端のちょうど上ではない絶対最小厚さを結果としてもたらし得る。例えば、絶対最小厚さは、第１の端の１または２ｎｍ以内であり得るか、または第１の端における厚さは、絶縁層の絶対最小厚さの５％もしくは１０％以内であり得る。絶縁層３０８は、第１の導電素子３０４と第２の導電素子３０６との間に設けられ、絶縁層３０８は、第１の導電素子３０４および第２の導電素子３０６に接触し得る。絶縁層３０８の高さは、１００ｎｍ以下であり得る。絶縁層３０８と導電素子との間の界面の面積は、１０，０００ｎｍ^２未満であり得る。絶縁層３０８、第１の導電素子３０４、および第２の導電素子３０６は各々が、隣接する材料（例えば、導電素子３０４、第２の導電素子３０６、および絶縁層３０８のうちの少なくとも１つ）と同一平面の表面を有し得る。トンネル接合との表面包括的領域３２４は、略平坦であり得る。

絶縁層３０８は誘電体であってもよい。例として、絶縁層３０８は、アルミナ（ＡＩ_２Ｏ_３）、ハフニア（Ｈｆ０_２）、窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、または酸化ケイ素（Ｓｉ０_２）のうちのいずれか１つまたは複数を含み得る。絶縁材料は、電流変化のより速い読み出しを可能にし得る低ｋ誘電体材料であってもよい。低ｋ誘電体は、４．０以下、３．９以下、３．５以下、３．０以下、２．５以下、２．０以下、または１．５以下の誘電率を有し得る。絶縁層の最小厚さは、材料および／または誘電率に依存し得る。アルミナの場合、最小厚さは、約２ｎｍであり得、これは、約１００ｐＡのトンネル電流を結果としてもたらす。最小厚さはまた、分析されるべき分子に依存し得る。最小厚さは、大きすぎてはならず、大きすぎると、トンネル電流が、目的とする部分より大きい分子の部分を通って進み得る（例えば、トンネル電流が、単一のヌクレオチドではなく複数のヌクレオチドを通過し得る）。

デバイス３０２は、第１の導電素子３０４および第２の導電素子３０６と電気通信状態にある電圧源３１０をさらに含む。加えて、デバイス３０２は、電圧源３１０、第１の導電素子３０４、および第２の導電素子３０６と電気通信状態にある電流メータ３１２を含む。例として、電圧源３１０は、１０ｍＶ〜１００ｍＶ、１００ｍＶ〜２００ｍＶ、２００ｍＶ〜３００ｍＶ、３００ｍＶ〜５００ｍＶ、または５００ｍＶ〜１Ｖなど、０〜１Ｖの電圧を提供し得る。いくつかの実施形態において、電圧源２１０は、１ｐＡ〜１０ｐＡ、１０ｐＡ〜１００Ａ、１００ｐＡ〜１ｎＡ、１ｎＡ〜１０ｎＡ、または１０ｎＡ〜３０ｎＡなど、０〜３０ｎＡの電流を提供し得る。例として、電圧源３１０は、直流電圧、交流電圧、または異なる波形（例えば、パルス、正弦、方形、三角形、または鋸歯状）を供給し得る。図３Ａは複数の電流メータを示すが、単一の電流メータが、各個別デバイスの個別の電流を監視してもよい。同様に、単一の電圧源が、複数のデバイスに電圧を供給してもよい。実施形態において、電圧源３１０は、固定電流を供給するように構成され得、電圧変動が測定される。他の実施形態において、電圧源３１０は、固定電圧を供給するように構成され得、電流変動が測定される。

デバイス３０２は、テーパの方向に直交であるトンネル方向を含み得る。言い換えると、図３Ａに見られるように、トンネル方向は、左から右、または右から左であり得る。トンネル方向は、第１の導電素子３０４、第２の導電素子３０６、および絶縁層３０８を通過する軸３１６に平行であり得る。システム３００は、電源３２２によって電力供給され、かつトンネル方向に電界を作成するように構成された一対の電極３２０を含み得る。電界は、分析されるべき分子をトンネル方向に駆動し得る。他の実施形態において、システム３００は、トンネル方向に圧力駆動の流体流を作成するように構成された器具を含み得る。そのような器具は、トンネル方向に流れを作成するためのポンプまたはインペラを含み得る。流体は、水、またはトンネル接合にわたって分子の移動を可能にしながら分子をそのままの状態に保つための他の好適な流体であり得る。

第１の導電素子３０４、第２の導電素子３０６、および絶縁層３０８は、絶縁基板３１８の表面上に設けられ得る。例として、絶縁基板３１８は、シリコンウエハの上の二酸化ケイ素または絶縁材料であり得る。図３Ａに示されるように、テーパの方向は、絶縁基板の表面に平行であり得る。具体的には、テーパの方向は、分子の進路に直交でありながらも絶縁基板の表面に平行である。

システム３００は、１つのみのデバイス３０２を含み得るか、またはデバイス３０２に類似した複数のデバイスをアレイ内に含み得る。アレイは、分析されるべき分子が、電界、またはテーパの方向に直交の圧力駆動の流体流によって駆動されるとき、複数のデバイスに接触するように構成され得る。図３Ａでは、分子は、第１の端３１４およびアレイ内の他のデバイスのそれぞれの第１の端に接触するように、進路３２６に沿ってデバイス３０２のアレイにわたって流れることができる。言い換えると、アレイは、分子が真っ直ぐの進路に沿って移動するとき、分子がデバイスからデバイスへ移動することができるように配置されることになる。いくつかの実施形態において、デバイスは、各デバイスのそれぞれの第１の端が同じ線に沿うように整列され得る。他の実施形態において、デバイスは、同じ線上にない場合があるが、各々が同じ距離だけ線からオフセットされ得るため、結果として、分子はデバイスの中を曲がりくねって進まなければならない場合がある（例えば、図５で後に説明されるように）。分子の移動を助けるため、絶縁材料が、デバイス間に設けられ、分子が特定の進路に沿って移動することを可能にするようにパターン化され得る。例えば、溝またはチャネルが、トンネル接合領域を含む溝の側壁と一緒に形成され得る。

システム３００は、マイクロ流体用途において使用される液体内に浸水されたデバイスを含み得る。液体は、分子の流れを促進し得る。液体は、水を含み得る。

図３Ｂは、本発明の実施形態に従う、絶縁材料３５４のテーパの方向が絶縁基板３５６の表面に直交であるデバイス３５２を示す。図３Ｂ内のテーパは、垂直テーパであると見なされ得る。絶縁材料３５４は、第１の導電素子３５８と第２の導電素子３６０との間にある。絶縁材料３５４は、デバイス３５２の第１の端において最小厚さに達するようにテーパ付けされ得る。デバイス３５２の第１の端は、領域３６６を含むデバイス３５２の側面である。端は、デバイス３５２の上部に、または絶縁基板３５６から最も遠い端にあり得る。デバイス３５２は、電圧源３６２および電流メータ３６４をさらに含む。絶縁材料３５４、絶縁基板３５６、第１の導電素子３５８、第２の導電素子３６０、電圧源３６２、および電流メータ３６４は、図３Ａで説明されるものを含む、本明細書に説明される任意の同様のコンポーネントであってもよい。図３Ｂでは、分析されるべき分子は、デバイスの上部を左から右または右から左（図３Ｂに見られるように）へ移動して、デバイスのうちの１つまたは複数の上表面と接触する。進路３６８は、分析されるべき分子の潜在的な進路である。分子が略平坦表面上を進み得るように、追加の絶縁材料が、トンネル接合デバイス間の溝を充填するために追加され得る。

Ｂ．テーパ付けされた絶縁材料なしのデバイス
図４Ａおよび図４Ｂは、本発明の実施形態に従う、テーパ付けされた絶縁材料なしのデバイス４００の異なる図を示す。図４Ａは上面図を示し、図４Ｂは断面図を示す。絶縁材料４０２は、第１の導電素子４０４と第２の導電素子４０６との間にある。絶縁材料４０２の幅（図４Ａおよび図４Ｂでは水平方向）は、テーパを導入せずに、トンネル電流および欠陥のリスクを低減するために短く保たれ得る。第１の導電素子４０４および第２の導電素子４０６は、絶縁材料４０２との界面から幅およびサイズを増大させ得る。最終形状は、上から見た場合、蝶のような形状であり得る。導電素子の増大されたサイズは、導電素子が絶縁材料４０２から剥離するリスクを低減することができる。絶縁材料４０２の上表面、第１の導電素子４０４、および第２の導電素子４０６は、絶縁層４０８と実質的に平面であり得る。絶縁層４０８は、本明細書に説明される任意の基板であり得る絶縁基板、および絶縁基板の上に堆積された材料を含み得る。絶縁材料４０２の上表面、第１の導電素子４０４、第２の導電素子４０６、および絶縁層４０８が略平面であることにより、分子は平らな表面に沿って移動して複数のデバイスに接触することができ、分子がデバイス間に詰まって遅延され得る可能性を低減する。図４Ａおよび４Ｂは、図１の磁気媒体産業における従来のトンネル接合デバイスのための配向から回転される絶縁層の配向を示す。いくつかの実施形態において、絶縁材料４０２は、本明細書に説明されるようにテーパ付けされ得る。

Ｃ．分子を線形化するための流路
図５は、本発明の実施形態に従う、分子の流れを例証する分子を分析するためのシステム５００を示す。システム５００は、第１のデバイス５０２を含む。第１のデバイス５０２は、第１の導電素子５０４および第２の導電素子５０６を有し得、各々が、絶縁層５０８のテーパの方向と同じ方向にテーパ付けされる。図５では、デバイス５０２は、垂直テーパではなく側方テーパを有する。システム５００はまた、第１のデバイス５０２と同一である第２のデバイス５１０を含む。

第１のデバイス５０２は、絶縁層５０８が最小厚さを有する、第１の端５１２と、第１の端５１２の反対側の第２の端５１４とを有する。第２のデバイス５１０は、絶縁層が最小厚さにある、第１の端５１６と、第１の端５１６の反対側の第２の端５１８とを有する。第１のデバイス５０２の第１の端５１２は、第２のデバイス５１０の第２の端５１４よりも第２のデバイス５１０の第１の端５１６の近くにあり得る。同様に、第２のデバイス５１０の第１の端５１６は、第１のデバイス５０２の第２の端５１４よりも第１のデバイス５０２の第１の端５１２の近くにあり得る。第１の端は、それらがテーパの方向によって規定される軸に沿って整列されないとしても互いに向き合うと言える。第１のデバイス５０２と第２のデバイス５１０との間の距離は、テーパの方向において軸に基づいて、その軸に垂直の方向における距離を考慮することなく測定され得る。第１のデバイス５０２と第２のデバイス５１０との間に他のデバイスがない場合がある。いくつかの実施形態において、絶縁層５０８は、テーパ付けされなくてもよい。

各デバイスの第２の端において、第１の導電素子５０４および第２の導電素子５０６は、絶縁層５０８によって分離されなくてもよい。代わりに、第１の導電素子５０４および第２の導電素子５０６は、固体ではなく、空気、液体、または他の流体の空隙によって分離されてもよい。いくつかの実施形態において、第１の導電素子５０４および第２の導電素子５０６は、絶縁層５０８内の材料とは異なる固定絶縁材料によって分離されてもよい。デバイス５０２およびデバイス５１０は、絶縁基板５２０と絶縁表面５２２との間に挟まれ得る。例として、絶縁表面５２２は、酸化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ハフニウム、または窒化ケイ素など、誘電体であり得る。第１の導電素子５０４、第２の導電素子５０６、絶縁層５０８、絶縁基板５２０、および絶縁表面５２２は、本明細書に説明される任意の材料を含んでもよい。いくつかの実施形態において、第１の導電素子５０４および第２の導電素子５０６は、各デバイスの第２の端において絶縁層５０８によって分離され得る。

第１のデバイス５０２は、絶縁層５０８を通る第１の平面を特徴とし得る。第１の平面は、明確性を維持するために、図５においてはその全体が示されない。第１の平面は、破線５３０を含み得、絶縁基板５２０に直交であり得る。第１の平面は、絶縁層５０８に交差し得、第１の導電素子５０４または第２の導電素子５０６のいずれにも交差しない。第１の平面に直交の第２の平面は、デバイス５１６の部分に交差し得る。第２の平面は、図５においてはその全体が示されない。第２の平面は、破線５３２を含み得、絶縁基板５２０に直交であり得る。第２の平面は、デバイス５１０内の絶縁層および導電素子に交差し得る。第２のデバイス５１０は、絶縁層を通る第３の平面を特徴とし得る。第３の平面は、図５においてはその全体が示されない。第３の平面は、破線５３６を含み得、絶縁基板５２０に直交であり得る。破線５３２を含む第２の平面は、破線５３６を含む第３の平面に直交であり得る。

図５は、第３のデバイス５３４を示す。第３のデバイス５３４は、第１のデバイス５０２と同一であり得る。破線５３２を含む第２の平面は、導電素子および絶縁層を有する第３のデバイス５３４の部分に交差し得る。

図５は、例えばデバイス５０２とデバイス５１０との間を進むことによる、システム５００を通る線状分子（例えば、ＤＮＡ）の流れのための潜在的な進路５２４を示す。ＤＮＡの流れは、電気泳動または圧力勾配によって駆動され得る。進路５２４は、分子がデバイスに接触し、トンネル電流または電気特性をデバイスに記録することを可能にする。曲がりくねった進路は、分子が巻き付くこと、または単一デバイスによって邪魔されることを防ぐのを助け得る。デバイス５０２およびデバイス５１０は、分子を線状分子として流路を通って強制的に進ませるように互いに十分に近く配向され得る。この様式では、デバイス５０２およびデバイス５１０は、ナノメートル、またはナノメートル未満だけ分離されるように製造され得る。サブナノメートルサイズを有する孔を有するナノポアデバイスのナノポアまたはアレイは、容易に製造され得ない。図５はＤＮＡ流を示すが、この流れは、分析されるべき他の分子にも当てはめることができる。

言い換えると、デバイスは、それらが互いに対向して、分析動作中に分子が直線状に通って移動する流路を形成するように構成され得る。第１のデバイス５０２および第２のデバイス５１０は、互いからオフセットされ得、依然として１つの次元において互いと重複し得る。第１のデバイス５０２および第３のデバイス５３４は、少なくとも１つの次元において整列され得る。破線５３８を含む平面は、破線５３０を含む平面に直交であり得る。破線５３８を含む平面は、第１の導電素子５０４、第２の導電素子５０６、および絶縁層５０８のうちの少なくとも１つに交差し得る。図５に示されるように、破線５３８は、第１の導電素子５０４および第２の導電素子５０６に交差する。破線５３８を含む平面は、デバイス５１０に交差しない場合がある。

各デバイスは、デバイスの導電素子と電気通信状態にある電気メータを含み得る。各デバイスは、デバイスの導電素子と電気通信状態にある電圧源を含み得る。各デバイスは、別個の電圧もしくは源を有してもよく、または、同じ電圧源が、複数のデバイスと電気通信状態にあってもよい。

実施形態において、デバイスまたはデバイスのアレイは、コンピュータによって制御され得る。コンピュータは、試験設備（電圧計、電流メータなどを含む）を含む、またはそれを制御する、任意のタイプのコンピューティング器具であり得る。コンピュータは、本明細書で論じられるデバイスに結合された入力および出力器具を含み得るか、またはそれに結合され得る。

ＩＶ．分子を分析する方法
図６は、分子を分析する方法６００を示す。例として、分子は、モノマー、生体高分子、核酸、またはポリペプチドであり得る。生体高分子は、炭水化物および多糖類を含み得る。ポリペプチドは、タンパク質を含む。分子を分析することは、分子を特定すること、または分子の一部分を特定することを含み得る。核酸の場合、核酸を分析することは、核酸の一部分のヌクレオチドを特定することを含み得る。ポリペプチドの場合、ポリペプチドを分析することは、ポリペプチド内のアミノ酸を特定することを含み得る。生体高分子を分析することは、ポリマーのモノマー単位を特定することを含み得る。

ブロック６０２において、方法６００は、絶縁層によって分離された第１の電極および第２の電極にわたって電圧を印加することを含む。これらの電極および絶縁を含むデバイスの例は上に説明される。電圧源を含む、電源は、電圧を印加し得る。電源は、コンピュータシステムによって制御され得る。

方法６００は、電気泳動または圧力駆動流によって分子を第１の電極および第２の電極へ移動させることを含み得る。電気泳動は、本明細書に説明されるように電圧を一対の電極にわたって印加することによって誘起され得る。圧力駆動流は、ポンプ、インペラ、または他の好適な器具によるものであり得る。分子の移動は、電極またはポンプもしくはインペラの制御を介して、コンピュータによって部分的に制御され得る。

ブロック６０４において、方法６００は、絶縁層にわたって第１の電極および第２の電極に分子を接触させることを含む。絶縁層は、分子に最も近い絶縁層の端が絶縁層の最小厚さを含むようにテーパ付けされ得る。そのようなテーパ付けは、例えば、図３Ａ、図３Ｂ、および図５に関して、上に説明される。

ブロック６０６において、方法６００は、第１の電極および第２の電極を通る電気特性を測定することを含む。電気特性の変化は、バックグラウンド電気特性に対して決定され得る。電気特性は、電気メータによって測定され得、これは、当業者によって理解されるように、様々な形態をとり得る。電気特性は、電流、電圧、および本明細書に説明される任意の他の特性を含む。測定値は、コンピュータシステムによって受信され得る。

ブロック６０８において、方法６００は、測定された電気特性に基づいて分子の一部分を特定することを含み得る。分子の一部分を特定することは、分子（例えば、ヌクレオチドまたはアミノ酸）の配列の一部、または官能基の存在または不在を特定することを含む。分子の一部分を特定することは、測定された電気特性または電気特性の変化を参照値または校正値と比較することを含み得る。電気特性は、電流、電圧、または本明細書に説明される任意の特性であり得る。例えば、ＤＮＡの４つのヌクレオチドの各々、またはタンパク質の２０個のアミノ酸の各々は、以前に特徴付けられた電流または電流の変化を有し得る。分子の異なる部分を区別することは、数十ピコアンペア（ｐｉｃｏａｍｐ）のオーダーでの電流差を使用し得る。校正電流または参照電流は、複数の読み出しに基づき得る。例えば、参照電流は、本デバイスまたは同様のデバイスにわたる数百、数千、または数万の電流測定値に基づき得る。そのような測定された値は、平均化され得、この平均が、参照または校正値と比較され得る。平均（ｍｅａｎ ａｖｅｒａｇｅ）以外の他の統計値、例えば、中央値または最頻値が使用され得る。分子の一部分の特定は、コンピュータシステムを使用し得る。コンピュータシステムは、参照電流またはシステム内に格納された他の電気特性を有し得る。

方法６００は、上に述べられるように、第２のトンネル接合デバイスを、例えば、デバイスのアレイの部分として、含み得る。方法６００は、第２の絶縁層によって分離される第３の電極および第４の電極にわたって電圧を印加することを含み得る。方法６００は、分子を第１の電極および第２の電極から第３の電極および第４の電極へ移動させることをさらに含み得る。加えて、方法６００は、第２の絶縁層にわたって第３の電極および第４の電極に分子を接触させることを含み得る。第２の絶縁層は、第２の絶縁層が分子に最も近い第２の絶縁層の端において最小厚さにあるようにテーパ付けされ得る。方法６００は、第３の電極および第４の電極を通る電気特性を測定することを含み得る。

方法６００は、第３の電極および第４の電極を通る電気特性を第１の電極および第２の電極を通る電気特性と比較することをさらに含み得る。電気特性を比較することは、電気特性値を平均化すること（平均化は、平均（ｍｅａｎ）、中央、または最頻を含み得る）、他の統計関数を実施すること（例えば、標準偏差、Ｔ検定を計算すること）、または電流値をプロットすることを含み得る。電気特性を比較することは、コンピュータシステムを使用し得る。方法６００は、分子を複数のデバイスに接触させることを含み得る。複数のデバイスは、５０〜１００、１００〜５００、５００〜１，０００、１，０００〜５，０００、５，０００〜１０，０００、または１０，０００超のデバイスを含み得る。統計検定は、分子の一部分からの電気特性分布が、参照電気特性と同じであるか、または異なるかを決定するために使用され得る。

いくつかの実施形態において、方法は、図５を用いて本明細書に説明されるようにオフセットされかつ重複するデバイスによって形成された流路を通して分子を流すことを含み得る。

Ｖ．製造の方法
図７は、分子を分析するためのデバイスを製造する方法７００を示す。製造方法は、磁気記録媒体（例えば、磁気ハードドライブ）を製造することに使用される技術を含み得る。

ブロック７０２において、方法７００は、絶縁基板の表面上に第１の導電素子を堆積することを含む。第１の導電素子は、イオンビーム蒸着によって堆積され得る。イオンビーム蒸着は、他の技術と比較してより密度の高いフィルムを結果としてもたらし得る。第１の導電素子は、好適なパターン化技術によって目標寸法までパターン化され得る。

ブロック７０４において、方法７００は、第１の導電素子の側壁上に絶縁層を堆積することを含む。絶縁層は、イオンビーム蒸着（ＩＢＤ）または原子層堆積（ＡＬＤ）によって堆積され得る。絶縁層は、第１の導電素子の上にコンフォーマルに堆積され得る。

ブロック７０６において、方法７００は、第１の導電素子の側壁上の絶縁層をテーパ付けして、テーパ付けされた絶縁層を形成することを含む。絶縁層をテーパ付けすることは、絶縁基板の表面に直交する方向に絶縁層をテーパ付けすること（すなわち、垂直テーパ）を含み得る。他の実施形態において、絶縁層をテーパ付けすることは、絶縁基板の表面に平行の方向に絶縁層をテーパ付けすること（すなわち、側方テーパ）を含み得る。絶縁層をテーパ付けすることは、絶縁層を斜めにイオンビームエッチングすること（例えば、４５度の角度でアルゴンイオンを用いたイオンビーム）を含み得る。テーパ付けは、第１の導電素子内でパターン化された隣接する特徴部によって提供される側壁のシャドーイングによって促進され得る。例えば、隣接する特徴部は、第１の導電素子の側壁と共に溝を形成し得、この溝が、テーパ付けを助けるために側壁上の絶縁層の部分をシャドーイングし得る。

いくつかの実施形態において、絶縁層を堆積することは、別の構造体によってシャドーイングされ得、絶縁層は、堆積される際、第１の導電素子の上でのコンフォーマルではなく、テーパ付けされ得る。その結果、本方法は、エッチング動作によりテーパ付けを低減し得るか、または、本方法は、テーパ付け動作を完全に削除し得る。

ブロック７０６において、方法７００は、テーパ付けされた絶縁層に接触する第２の導電素子を堆積することを含む。第２の導電素子は、ＩＢＤまたはＡＬＤを用いて堆積され得る。

ブロック７１０において、方法７００は、第１の導電素子または第２の導電素子のうちの少なくとも一方を平坦化して、テーパ付けされた絶縁層を暴露することを含む。平坦化は、化学機械平坦化またはイオンビームエッチングによるものであり得る。

方法７００は、第１の導電素子および第２の導電素子を電圧源および電気メータに接続することをさらに含み得る。第１の導電素子および第２の導電素子を電圧源または電気メータに電気的に接続することは、金属パッドまたは金属接触、および磁気記録媒体製造において知られている他の金属処理技術を含み得る。

Ａ．垂直テーパを形成する例示的な方法
図８Ａは、垂直にテーパ付けされたトンネル接合デバイスを形成する例を示す。セクション８０１において、接着層、金属、およびハードマスクが、イオンビーム蒸着（ＩＢＤ）によって堆積される。接着層は、Ｓｉ０_２またはＳｉの上に堆積される。金属（例えば、白金またはパラジウム）は、接着層の上に堆積される。ハードマスクは、金属の上に堆積される。セクション８０２において、接合が、フォトリソグラフィ、ハードマスク反応イオン腐食（ＲＩＥ）、およびレジスト除去によりパターン化される。セクション８０３において、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）が、金属を圧延するため、および側壁をなめらかにするために行われる。セクション８０４において、誘電体層が、イオンビーム蒸着（ＩＢＤ）または原子層堆積（ＩＢＤ）によって堆積される。セクション８０５において、側壁上の誘電体が、ＩＢＥおよびシャドーイング効果を使用してテーパ付けされる。

図８Ｂは、セクション８０５におけるテーパ付けに関する追加詳細事項、および図８Ａに続く処理における追加ステップを示す。構造体８２は、構造体８１をシャドーイングするために使用され得る。側壁をシャドーイングするために使用される構造体は、側壁がテーパ付けの標的となっている構造体と整列され得る。イオンの束は、アルゴンからのものを含め、基板の表面に対して非正規および非平行の角度で導入され得る。イオンの束は、厚さ勾配を作成するためにＸＺ平面（φ方向）に掃引され得る。イオンの一部は、イオンが構造体８１の側壁に達する前に、構造体８２によってブロックされる。ブロックされなければ構造体８１の底部の方へ向けられるイオンの方が、構造体８１の上部の方へ向けられるイオンよりも多くブロックされる。その結果、構造体８１の底部と比較してより一層の誘電体が構造体８１の上部からエッチング除去され、結果として誘電体内にテーパをもたらす。セクション８０６において、金属が、ＩＢＤまたはＡＬＤによって堆積される。この金属は、やがてはデバイスの第２の電極を形成し得る。セクション８０７において、ＩＢＥまたは化学機械平坦化（ＣＭＰ）が、テーパ付けされた誘電体の最小厚さを露出するために使用される。

Ｂ．側方テーパを形成する例示的な方法
図９Ａは、側方にテーパ付けされたトンネル接合デバイスを形成する例を示す。セクション９０１において、接着層、金属、およびハードマスクが、イオンビーム蒸着（ＩＢＤ）によって堆積される。接着層は、Ｓｉ０_２またはＳｉの上に堆積される。金属（例えば、白金またはパラジウム）は、接着層の上に堆積される。ハードマスクは、金属の上に堆積される。セクション９０２において、接合が、フォトリソグラフィ、ハードマスク反応イオン腐食（ＲＩＥ）、およびレジスト除去によりパターン化される。セクション９０３において、イオンビームエッチング（ＩＢＥ）が、金属を圧延するため、および側壁をなめらかにするために行われる。セクション９０４において、誘電体層は、イオンビーム蒸着（ＩＢＤ）または原子層堆積（ＩＢＤ）によって堆積される。セクション９０５において、側壁上の誘電体が、ＩＢＥおよびシャドーイング効果を使用してテーパ付けされる。

図９Ｂは、セクション９０５におけるテーパ付けに関する追加詳細事項、および図９Ａに続く処理における追加ステップを示す。アルゴン束角度およびシャドーイングは、図９Ｂとは異なる。図８Ｂではシャドーイングのために使用される構造体が側壁に整列される一方、側方テーパを作成するため、テーパ付けされるべき側壁からオフセットされた構造体が、シャドーイングのために使用される。図９Ｂでは、構造体９２は、構造体９１からオフセットされ、構造体９１をシャドーイングする。イオンの束は、アルゴンからのものを含め、基板の表面に対して非正規および非平行であり得る角度φで導入され得る。イオンは、厚さ勾配を作成するためにＸＹ平面において掃引され得る。イオンの一部は、イオンが構造体９２の質量の中心に最も近い構造体９１の一端において側壁に達する前に構造体９２によってブロックされる。ブロックされなければ構造体９１の端の方へ向けられるイオンの方が、構造体９１の方へ向かうが端から遠く離れるイオンよりも多くブロックされる。その結果、より一層の誘電体が、構造体９１の端から離れる方へエッチング除去され、結果として誘電体内にテーパをもたらす。セクション９０６において、金属が、ＩＢＤまたはＡＬＤによって堆積される。この金属は、やがてはデバイスの第２の電極を形成し得る。セクション９０７において、ＩＢＥまたは化学機械平坦化（ＣＭＰ）が、テーパ付けされた誘電体の最小厚さを露出するために使用される。

ＶＩ．コンピュータシステム
本明細書で述べられるコンピュータシステムのいずれかは、任意の好適な数のサブシステムを利用し得る。そのようなサブシステムの例は、図１０においてコンピュータシステム１０内に示される。いくつかの実施形態において、コンピュータシステムは、単一のコンピュータ装置を含み、サブシステムは、コンピュータ装置のコンポーネントであり得る。

他の実施形態において、コンピュータシステムは、複数のコンピュータ装置を含んでもよく、その各々が内部コンポーネントを有するサブシステムである。コンピュータシステムは、デスクトップおよびラップトップコンピュータ、タブレット、携帯電話、ならびに他の携帯デバイスを含むことができる。

図１０に示されるサブシステムは、システムバス７５を介して相互接続される。プリンタ７４、キーボード７８、ストレージデバイス７９、ディスプレイアダプタ８２に結合されるモニタ７６、および他のものなど、追加のサブシステムが示される。Ｉ／Ｏコントローラ７１に結合する周辺装置および入力／出力（Ｉ／Ｏ）デバイスは、入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポート７７（例えば、ＵＳＢ、ＦｉｒｅＷｉｒｅ（登録商標）、Ｔｈｕｎｄｅｒｂｏｌｔ）など、当該技術分野において知られる任意の数の手段によってコンピュータシステムに接続され得る。例えば、Ｉ／Ｏポート７７または外部インターフェース８１（例えば、Ｅｔｈｅｒｎｅｔ、Ｗｉ−Ｆｉなど）は、コンピュータシステム１０をインターネットなどの広域ネットワーク、マウス入力デバイス、またはスキャナに接続するために使用され得る。システムバス７５を介した相互接続は、中央プロセッサ７３が、各サブシステムと通信すること、システムメモリ７２またはストレージデバイス７９（例えば、ハードドライブなどの固定ディスク、または光学ディスク）からの命令の実行を制御すること、ならびにサブシステム間の情報の交換を可能にする。システムメモリ７２および／またはストレージデバイス７９は、コンピュータ可読媒体を具現化し得る。別のサブシステムは、カメラ、マイク、加速度計などのデータ収集デバイス８５である。本明細書で述べられるデータのいずれかは、１つのコンポーネントから別のコンポーネントへ出力され得、またユーザへ出力され得る。

コンピュータシステムは、例えば、外部インターフェース８１または内部インターフェースによって互いに接続される複数の同じコンポーネントまたはサブシステムを含むことができる。いくつかの実施形態において、コンピュータシステム、サブシステム、または装置は、ネットワークを介して通信することができる。そのような場合において、１つのコンピュータはクライアント、別のコンピュータはサーバと見なされ得、各々が同じコンピュータシステムの部分であり得る。クライアントおよびサーバは各々が、複数のシステム、サブシステム、またはコンポーネントを含むことができる。

本発明の実施形態のいずれかは、ハードウェア（例えば、特定用途向け集積回路またはフィールドプログラマブルゲートアレイ）を使用して、および／またはモジュラもしくは統合様式で汎用プログラマブルプロセッサと共にコンピュータソフトウェアを使用して、制御論理の形態で実装され得ることに理解されたい。本明細書で使用される場合、プロセッサは、シングルコアプロセッサ、同じ集積チップ上のマルチコアプロセッサ、または単一の回路基板上の、もしくはネットワーク化された複数の処理ユニットを含む。本明細書に提供される開示および教示に基づいて、当業者は、ハードウェアならびにハードウェアおよびソフトウェアの組み合わせを使用して本発明の実施形態を実施するための他のやり方および／または方法を承知および理解するものとする。

本出願において説明されるソフトウェアコンポーネントまたは関数のいずれかは、例えば、Ｊａｖａ（登録商標）、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｃ＃、Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ−Ｃ、Ｓｗｉｆｔなどの任意の好適なコンピュータ言語、または、例えば、従来の技術またはオブジェクト指向の技術を使用するＰｅｒｌまたはＰｙｔｈｏｎなどのスクリプト言語を使用して、プロセッサによって実行されるべきソフトウェアコードとして実施され得る。ソフトウェアコードは、ストレージおよび／または伝送のためのコンピュータ可読媒体上の一連の命令またはコマンドとして格納され得る。好適な非一時的なコンピュータ可読媒体は、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ハードドライブもしくはフロッピディスクなどの磁気媒体、またはコンパクトディスク（ＣＤ）もしくはＤＶＤ（デジタルバーサタイルディスク）などの光学媒体、フラッシュメモリなどを含み得る。コンピュータ可読媒体は、そのようなストレージまたは伝送デバイスの任意の組み合わせであってもよい。

そのようなプログラムはまた、インターネットを含む様々なプロトコルに従う、有線、光、および／または無線ネットワークを介した伝送のために適合されたキャリア信号を使用して符号化および伝送され得る。そのようなものとして、本発明の実施形態に従うコンピュータ可読媒体は、そのようなプログラムを用いて符号化されたデータ信号を使用して作成され得る。プログラムコードを用いて符号化されたコンピュータ可読媒体は、互換性のあるデバイスと一緒にパッケージ化され得るか、または他のデバイスとは別個に提供され得る（例えば、インターネットダウンロードにより）。任意のそのようなコンピュータ可読媒体は、単一のコンピュータ製品（例えば、ハードドライブ、ＣＤ、またはコンピュータシステム全体）上または内に存在し得、システムまたはネットワーク内の異なるコンピュータ製品上または内に存在し得る。コンピュータシステムは、本明細書で述べられる結果のいずれかをユーザに提供するためにモニタ、プリンタ、または他の好適なディスプレイを含み得る。

本明細書に説明される方法のいずれかは、ステップを実施するように構成され得る１つまたは複数のプロセッサを含むコンピュータシステムを用いて完全にまたは部分的に実施され得る。したがって、実施形態は、おそらくはそれぞれのステップまたはステップのそれぞれの群を実施する異なるコンポーネントを用いて、本明細書に説明される方法のいずれかのステップを実施するように構成されたコンピュータシステムを対象とし得る。本明細書内の方法のステップは、番号付きのステップとして提示されるが、同時に、または異なる順序で実施されてもよい。加えて、これらのステップの部分は、他の方法からの他のステップの部分と一緒に使用されてもよい。また、ステップのすべてまたは部分は任意選択であり得る。加えて、本方法のいずれかのステップのいずれかは、これらのステップを実施するためのモジュール、ユニット、回路、または他の手段を用いて実施され得る。

図１１は、例示的な分析システムを示す。図１１に描写されるシステムは、分析デバイス１１０２と、コンピュータシステム１１０６の部分である知能モジュール１１０４とを備える。分析デバイス１１０２は、システム２００、システム３００、システム３５０、デバイス４００、システム５００、または本明細書に説明される任意のシステムを含み得る。コンピュータシステム１１０６は、コンピュータシステム１０の部分またはすべてを含み得る。データセット（電気特性データセット）は、ネットワーク接続または直接接続により、分析デバイス１１０２から知能モジュール１１０４へ、またその逆で転送される。データセットは、例えば、ヌクレオチドを特定するために処理され得る。特定ステップは、コンピュータシステム１１０６のハードウェア上に格納されたソフトウェアによって実施され得る。データセットは、プロセッサ上で実行し、かつ知能モジュールのストレージデバイス上に格納されており、処理後に分析モジュールのストレージデバイスに転送されるコンピュータコードによって処理され得、修正されたデータが、表示デバイス上に表示され得る。いくつかの実施形態において、知能モジュールはまた、分析デバイス内で実施され得る。

図１２は、コンピュータシステム１２００が、例えば、シーケンシングデバイスから得られた電気特性データを受信することを含み得る受信手段１２１０を備え得ることを示す。コンピュータシステム１２００はまた、データ内に電気特性の変化を引き起こす分子の一部分を特定するための特定手段１２２０を含み得る。

特定の実施形態の特定の詳細事項は、本発明の実施形態の趣旨および範囲から逸脱することなく任意の好適な様式で組み合わされ得る。しかしながら、本発明の他の実施形態は、各個別の態様、またはこれらの個別の態様の特定の組み合わせに関する特定の実施形態に向けられ得る。

本発明の例示的な実施形態の上の説明は、例証および説明の目的のために提示されている。徹底的であること、または本発明を説明される精密な形態に制限することは意図されず、多くの修正形態および変形形態が、上の教示の観点から可能である。

先の説明において、説明の目的のため、多数の詳細事項は、本技術の様々な実施形態の理解を提供するために明らかにされている。しかしながら、特定の実施形態がこれらの詳細事項なしに、または追加の詳細を用いて、実践され得ることは当業者には明らかである。

いくつかの実施形態を説明したことにより、様々な修正形態、代替的な構築形態、および等価物が本発明の趣旨から逸脱することなく使用され得ることは、当業者によって理解されるものとする。加えて、いくつかのよく知られているプロセスおよび要素は、本発明を不必要に不明瞭にすることを避けるために説明されていない。加えて、任意の特定の実施形態の詳細事項は、その実施形態の変形形態に常に存在するわけではない場合があるか、または、他の実施形態に追加され得る。

幅広い値が提供される場合、文脈が別途明確に示さない限り下限の単位の１０分の１まで、その範囲の上限と下限の間の各々間にある値もまた、具体的に開示されることを理解されたい。任意の記述された値間の各々のより小さい範囲または記述された範囲内の間にある値および任意の他の記述された範囲またはその記述された範囲内の間にある値が包含される。これらのより小さい範囲の上限および下限は、範囲内に独立して含まれるか、または除外され得、また、より小さい範囲にいずれかの限界値が含まれる、いずれも含まれない、または両方が含まれる各範囲は、本発明内に包含され、記述された範囲内の任意の具体的に除外された限界値の影響下にある。記述された範囲が限界値のうちの一方または両方を含む場合、それらの含まれた限界値のうちのいずれかまたは両方を除外する範囲もまた、含まれる。

本明細書および添付の特許請求の範囲で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が別途明確に示さない限りは、複数指示対象を含む。したがって、例えば、「ａ ｍｅｔｈｏｄ（方法）」は、複数のそのような方法を含み、「ｔｈｅ ｐａｒｔｉｃｌｅ（粒子）」への言及は、１つまたは複数の粒子および当業者に知られているその等価物への言及を含むなどが言える。本発明は、明確性および理解の目的のために詳細に説明されている。しかしながら、特定の変更および修正が添付の特許請求の範囲内で実践され得ることを理解されたい。

Claims (19)

1. 分子を分析するための器具であって、前記器具は、デバイスを備え、前記デバイスは、
   第１の導電素子と、
   第２の導電素子と、
   前記デバイスの第１の端において最小厚さに達するための方向にテーパ付けされた絶縁層であって、前記第１の導電素子と前記第２の導電素子との間に設けられる、絶縁層と、
   前記第１の導電素子および前記第２の導電素子と電気通信状態にある電圧源と、
   前記電圧源、前記第１の導電素子、および前記第２の導電素子と電気通信状態にある電気メータと、を備え、
   前記方向が第１の方向であり、
   前記第１の方向に直交の第２の方向に電界を作成するように構成された一対の電極をさらに備え、前記第２の方向が、前記第１の導電素子および前記絶縁層を通過する軸に平行である、
   分子を分析するための器具。
2. 前記第１の方向に直交の第２の方向に圧力駆動の流体流を作成するように構成された器具をさらに備え、前記第２の方向が、前記第１の導電素子、前記絶縁層、および前記第２の導電素子を通過する軸に平行である、請求項１に記載の器具。
3. 前記第１の導電素子が金属を含み、前記第２の導電素子が金属を含み、前記絶縁層が誘電体である、請求項１に記載の器具。
4. 前記絶縁層が、アルミナ、ハフニア、窒化ケイ素、または酸化ケイ素を含む、請求項１に記載の器具。
5. 前記第１の導電素子、前記第２の導電素子、および前記絶縁層が、絶縁基板の表面上に設けられ、
   前記方向が、前記絶縁基板の前記表面に直交である、請求項１に記載の器具。
6. 前記第１の導電素子、前記第２の導電素子、および前記絶縁層が、絶縁基板の表面上に設けられ、
   前記方向が、前記絶縁基板の前記表面に平行である、請求項１に記載の器具。
7. 前記デバイスを含むアレイ内に複数のデバイスをさらに備え、また任意選択的に、前記アレイは、前記分子が、電界または前記方向に直交の圧力駆動の流体流によって駆動されるとき前記複数のデバイスに接触するように構成される、請求項１に記載の器具。
8. 前記デバイスが第１のデバイスであり、
   前記器具が、前記第１のデバイスと同一である第２のデバイスを備え、
   前記第１のデバイスが、前記第１のデバイスの前記第１の端の反対側に第２の端を含み、
   前記第２のデバイスが、前記第２のデバイスの前記第１の端の反対側に第２の端を含み、
   前記第１のデバイスおよび前記第２のデバイスが、
   前記第１のデバイスの前記第１の端が、前記第２のデバイスの前記第２の端よりも前記第２のデバイスの前記第１の端に近く、
   前記第２のデバイスの前記第１の端が、前記第１のデバイスの前記第２の端よりも前記第１のデバイスの前記第１の端に近いように、絶縁基板の表面上に設けられる、請求項１に記載の器具。
9. 前記第１の導電素子および前記第２の導電素子が各々、各素子の最大厚さが前記第１の端にないようにテーパ付けされ、
   前記第１の導電素子および前記第２の導電素子が、前記第１の端の反対側の第２の端において前記絶縁層によって分離されない、請求項１に記載の器具。
10. 分子を分析する方法であって、
    絶縁層によって分離される第１の電極および第２の電極にわたって電圧を印加するステップと、
    前記分子を前記絶縁層にわたって前記第１の電極および前記第２の電極に接触させるステップであって、前記絶縁層が、前記分子に最も近い前記絶縁層の端が前記絶縁層の最小厚さを含むようにテーパ付けされる、ステップと、
    前記第１の電極および前記第２の電極を通る電気特性を測定するステップと、
    前記電気特性に基づいて前記分子の一部分を特定するステップと
    を含む、分子を分析する方法。
11. 前記分子が、モノマー、生体高分子、核酸、またはポリペプチドからなる群より選択される、請求項１０に記載の方法。
12. 電気泳動または圧力駆動流によって前記分子を前記第１の電極および前記第２の電極へ移動させるステップをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
13. 前記絶縁層が第１の絶縁層であり、
    第２の絶縁層によって分離される第３の電極および第４の電極にわたって電圧を印加するステップと、
    前記分子を前記第１の電極および前記第２の電極から前記第３の電極および前記第４の電極へ移動させるステップと、
    前記分子を前記第２の絶縁層にわたって前記第３の電極および前記第４の電極に接触させるステップであって、前記第２の絶縁層が、前記分子に最も近い前記第２の絶縁層の前記端が前記第２の絶縁層の最小厚さを含むようにテーパ付けされる、ステップと、
    前記第３の電極および前記第４の電極を通る電気特性を測定するステップと、
    前記第３の電極および前記第４の電極を通る前記電気特性を前記第１の電極および前記第２の電極を通る前記電気特性と比較するステップと、
    前記電気特性の前記比較を使用して前記分子の前記一部分を特定するステップと、をさらに含む、請求項１０に記載の方法。
14. 分子を分析するためのデバイスを製造する方法であって、
    絶縁基板の表面上に第１の導電素子を堆積するステップと、
    前記第１の導電素子の側壁上に絶縁層を堆積するステップと、
    前記第１の導電素子の前記側壁上の前記絶縁層をテーパ付けして、テーパ付けされた絶縁層を形成するステップと、
    前記テーパ付けされた絶縁層に接触する第２の導電素子を堆積するステップと、
    前記第１の導電素子または前記第２の導電素子のうちの少なくとも一方を平坦化して、前記テーパ付けされた絶縁層を暴露するステップと、を含む、分子を分析するためのデバイスを製造する方法。
15. 分子を分析するためのシステムであって、前記システムが、
    第１のデバイスであって、
    第１の導電素子、
    第２の導電素子、および
    前記第１の導電素子と前記第２の導電素子との間に設けられた第１の絶縁層を備える、
    第１のデバイスと、
    前記第１の導電素子および前記第２の導電素子と電気通信状態にある電圧源と、
    前記電圧源、前記第１の導電素子、および前記第２の導電素子と電気通信状態にある電気メータであって、前記第１のデバイスが、前記第１の絶縁層を通るが前記第１の導電素子を通らずかつ前記第２の導電素子を取らない第１の平面を特徴とする、電気メータと、
    第２のデバイスであって、
    第３の導電素子、
    第４の導電素子、および
    前記第３の導電素子と前記第４の導電素子との間に設けられた第２の絶縁層を備える、
    第２のデバイスとを備え、
    前記第１のデバイスおよび前記第２のデバイスが、
    前記第１の平面に直交の第２の平面が、前記第１の導電素子、前記第２の導電素子、および前記第１の絶縁層を備える前記第１のデバイスの第１の部分に交差し、
    前記第２の平面が、前記第３の導電素子、前記第４の導電素子、および前記第２の絶縁層を備える前記第２のデバイスの一部分に交差し、
    前記第１のデバイスおよび前記第２のデバイスが互いに対向して、分析動作中に前記分子が直線状に通って移動する流路を形成するように、
    設けられる、
    分子を分析するためのシステム。
16. 前記電気メータが第１の電気メータであり、
    前記電圧源が第１の電圧源であり、
    前記第１の電圧源または第２の電圧源のいずれかが、前記第３の導電素子および前記第４の導電素子と通信状態にあり、
    前記第２のデバイスが、第２の電気メータをさらに備え、前記第２の電気メータが、前記第３の導電素子および前記第４の導電素子と電気通信状態にある、請求項１５に記載のシステム。
17. 前記第１のデバイスと同一である第３のデバイスをさらに備え、
    前記第１のデバイスが、前記第３のデバイスよりも前記第２のデバイスにより近く、
    前記第２の平面が、第５の導電素子、第６の導電素子、および第３の絶縁層を備える前記第３のデバイスの一部分に交差する、請求項１５に記載のシステム。
18. 前記第２のデバイスが、前記第２の絶縁層を通るが前記第３の導電素子を通らずかつ前記第４の導電素子を通らない第３の平面を特徴とし、
    前記第２の平面が、前記第３の平面に直交である、請求項１５に記載のシステム。
19. 前記第１の絶縁層が、前記第１のデバイスの端において最小厚さに達するための方向にテーパ付けされる、請求項１５に記載のシステム。

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