JP7024158B2 - ３次元構造の検知面を有するセンサ、並びに、そのセンサの形成方法および使用方法 - Google Patents

Description

本発明は一般にバイオセンサに関する。より詳細には、本発明は、３次元（３Ｄ）構造の検知面を有するバイオセンサ・プローブ／電極に関する製造方法、結果として生じる構造、および使用方法に関する。

様々なタイプの物理パラメータおよび化学パラメータを測定するためにバイオセンサが使用される。既知のバイオセンサの構成において、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ：field effect transistor）は、（バイオセンサ電極としても知られる）生物学的認識素子から絶縁層（例えばＳｉＯ_２）によって隔てられたトランスデューサとして機能する。認識素子は、受容体、酵素、抗体、ＤＮＡ、または標的検体に対して生物学的に特異的な他のタイプの捕獲分子などのバイオフィルム素材であることが可能である。認識素子は、例えば、イオン濃度（例えばｐＨ）、または標的生体分子（例えば、ＤＮＡ、マイクロＲＮＡ、酵素、抗体など）の濃度を検出するように構成されることが可能である。用語「標的検体」およびこの変形は、イオン、標的分子、または他の任意の生物学的物質に言及するために本明細書で使用される。

標的のイオンまたは分子あるいはその両方が認識素子に結合すると、認識素子の表面の電荷分布が変化し、このことが、ＦＥＴのゲートにおける静電表面ポテンシャルの対応する変化を引き起こす。表面ポテンシャルのこの変化が、ＦＥＴのゲートに電圧を印加し、このことが、ゲートとソースの間の電圧降下（Ｖｇｓ）をもたらす。印加されたゲート電圧がＶｇｓを閾値電圧（Ｖｔｈ）に到達すると、電流はソースからドレインに流れ始める。Ｖｔｈは、チャネルが伝導するのを可能にするように、十分な密度の可動電子またはホールがチャネルに集まるＶｇｓの値として定義される。Ｖｇｓの値、および結果として生じるソースからドレインへの電流の流れは、認識素子に結合する標的のイオンまたは分子あるいはその両方に比例する。

ＦＥＴを通る電流（またはコンダクタンス）の変化は、生物学的認識素子に結合している検体を検出するために測定され、分析されることが可能である。プロセッサ・ベースのバイオセンサ読取デバイスは、ＦＥＴドレイン電流を受け取り、必要に応じてさらなる処理を行い、より簡単に測定され、数量化されたユーザ・フレンドリな形式で結果を表示する。光信号、生理化学信号、圧電信号、電気化学信号などのような、他のタイプの測定可能な出力に検体の検出をコンバートするために、他のタイプのトランスデューサが使用されることが可能である。

バイオセンサの性能は、いくつかのファクタに従って評価されることが可能である。例えば、バイオセンサの性能は、測定時のノイズと明確に区別できる出力をバイオセンサが生成するために必要とされる標的検体の最低濃度に基づいて評価されることが可能である。バイオセンサの性能は、下限感度および上限感度として表される認識素子の感度範囲に基づいて評価されることも可能である。例としてｐＨ濃度を使用すると、所与のバイオセンサは、ｐＨ２～ｐＨ１２の下限感度および上限感度を有することができる。下限感度は、測定時のノイズと明確に区別できる出力をバイオセンサが生成するために必要とされる前述の標的検体の最低濃度に類似している。上限感度は、検体の吸着のための結合部位が残らないほど、認識素子が飽和した状態になるときに達する。したがって、バイオセンサは、バイオセンサの下限感度より低い、またはバイオセンサの上限感度より高い、実際の値を検出することができない。バイオセンサの性能は、必要とされるサンプルの大きさに基づいて評価されることも可能である。ＦＥＴベースのバイオセンサなどの小さいセンサは、必要とされるサンプルの大きさを全体的に最小化し、サンプルが典型的には血液などの患者の体液である、医療用途において好ましいことが多い。

上述のバイオセンサの性能ファクタは、認識素子の検知面の特性によって少なくとも部分的に影響を受ける認識素子に検体が効率的に結合する方法を改善することによって、改善されることが可能である。ＦＥＴバイオセンサにおいて、認識素子は、ＦＥＴゲートとして機能することもできる。組み合わされたＦＥＴゲートおよび認識素子構造は、平らで２次元（２Ｄ）かつ実質的に平面の検知面を有する。

したがって、当技術分野において、前述の問題に対処する必要がある。すなわち、認識素子の検知面の特性によって少なくとも部分的に影響を受ける認識素子に検体が効率的に結合するよう改善する必要がある。

第１の態様によれば、本発明は、検知回路と、検知回路に通信連結されたプローブとを備え、プローブが、認識素子の導電性コーティングを有する３次元（３Ｄ）検知面を備え、少なくとも部分的に所定の素材と相互作用する３Ｄ検知面に基づいて第１の測定値を生成するように構成された、センサを提供する。

さらなる態様によれば、この本発明は、センサを形成する方法を提供し、この方法は、検知回路を形成することと、３次元（３Ｄ）検知面構造を有するプローブ構造を形成することと、プローブ構造を検知回路に通信連結することと、認識素子を有するコーティングを含む３Ｄ検知面構造を構成することと、さらに、少なくとも部分的に所定の素材と相互作用する３Ｄ検知面構造に基づいて第１の測定値を生成するように３Ｄ検知面構造を構成することとを含む。

さらなる態様によれば、本発明は、センサを使用する方法を提供し、この方法は、サンプルにアクセスすることと、サンプルをセンサに露出させることを含み、センサが、認識素子を含むコーティングを有する３次元（３Ｄ）検知面構造を有するプローブ構造に通信連結された検知回路を備え、少なくとも部分的にサンプル内の所定の素材と接触する３Ｄ検知面構造に基づいて、当該３Ｄ検知面構造を使用して第１の測定値を生成することと、第１の測定値に基づいて、検知回路を使用して所定の素材の所定の特性に比例する検知回路出力を生成することと、を含む。

さらなる態様によれば、本発明は、センサを使用するためのコンピュータ・プログラム製品を提供し、コンピュータ・プログラム製品は、本発明のステップを行うための方法を行うために、処理回路によって読取可能であり、処理回路による実行のための命令を格納するコンピュータ可読ストレージ媒体を備える。

さらなる態様によれば、本発明は、コンピュータ・プログラムであって、本発明のステップを行うために、前記プログラムがコンピュータ上で動くときのソフトウェア・コード部分を含む、コンピュータ可読媒体上に格納され、デジタル・コンピュータの内部メモリにロード可能な、コンピュータ・プログラムを提供する。

本発明の実施形態は、検知回路、および検知回路に通信連結されたプローブを含むセンサを対象とする。プローブは、認識素子でコーティングされた３次元（３Ｄ）検知面を含み、少なくとも部分的に、所定の素材と相互作用する３Ｄ検知面に基づいて、第１の測定値を生成するように構成される。本発明の上述の実施形態は、目的の検体が検知面に結合する効率を改善し、信号強度を改善し、信号対雑音比を改善する、さらに大きな検知面エリアをもたらす。

本発明の実施形態は、センサを形成する方法を対象とする。この方法は、検知回路、および認識素子でコーティングされた３Ｄ検知面構造を含むプローブ構造を形成することを含む。プローブは、検知回路に通信連結され、３Ｄ検知面構造は、少なくとも部分的に、所定の素材と相互作用する３Ｄ検知面構造に基づいて、第１の測定値を生成するように構成される。本発明の上述の実施形態は、目的の検体が検知面に結合する効率を改善し、信号強度を改善し、信号対雑音比を改善する、さらに大きな検知面エリアをもたらす。

本発明の実施形態は、センサを使用する方法を対象とする。方法は、サンプルにアクセスすることと、サンプルをセンサに露出させることと、を含み、センサが、認識素子でコーティングされた３Ｄ検知面構造を有するプローブ構造に通信連結された検知回路を含む。少なくとも部分的にサンプル内の所定の素材と接触する３Ｄ検知面構造に基づいて、３Ｄ検知面構造は第１の測定値を生成する。第１の測定値に基づいて、検知回路は、所定の素材の所定の特性に比例する検知回路出力を生成する。本発明の上述の実施形態は、目的の検体が検知面に結合する効率を改善し、信号強度を改善し、信号対雑音比を改善する、さらに大きな検知面エリアをもたらす。

さらなる特徴および利点が、本明細書で説明される技法を通じて実現される。他の実施形態および態様が本明細書で詳細に説明される。より良い理解のために、説明および図面を参照されたい。

本発明であるとみなされる主題が、明細書の結論における特許請求の範囲の中で具体的に指摘され、明確に請求される。前述の特徴および利点、ならびに他の特徴および利点は、添付の図面と併用された以下の詳細な説明から明らかである。

本発明の１つまたは複数の実施形態による、３Ｄナノプローブ電極を有するバイオセンサ・システムの概略図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、３Ｄナノプローブ・バイオセンサ電極の形状の例を示すブロック図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、既知の２Ｄの実質的に平面のバイオセンサ電極、および３Ｄナノプローブ・バイオセンサ電極のアレイのブロック図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、３Ｄナノプローブ・バイオセンサ電極を有するバイオセンサを使用する方法を示す流れ図を描写する図である。 図１に示されたプロセッサのさらなる詳細を示すブロック図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、初期製造段階後の３Ｄナノプローブ・バイオセンサの断面図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、製造段階後の３Ｄナノプローブ・バイオセンサの断面図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、製造段階後の３Ｄナノプローブ・バイオセンサの断面図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、製造段階後の３Ｄナノプローブ・バイオセンサの断面図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、製造段階後の３Ｄナノプローブ・バイオセンサの断面図を描写する図である。 図１０に示された３Ｄナノプローブ・バイオセンサの線Ａ－Ａ’に沿った平面図（top-downview）を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、製造段階後の、図１０に示された３Ｄナノプローブ・バイオセンサの線Ａ－Ａ’に沿った平面図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、製造段階後の３Ｄナノプローブ・バイオセンサの断面図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、製造段階後の３Ｄナノプローブ・バイオセンサの断面図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、製造段階後の３Ｄナノプローブ・バイオセンサの断面図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、代替の製造段階後の３Ｄナノプローブ・バイオセンサの断面図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、代替の製造段階後の３Ｄナノプローブ・バイオセンサの断面図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、代替の製造段階後の３Ｄナノプローブ・バイオセンサの断面図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、代替の製造段階後の３Ｄナノプローブ・バイオセンサの断面図を描写する図である。 図１９に示された３Ｄナノプローブ・バイオセンサの平面図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、３Ｄナノプローブを有するバイオセンサ・システムを使用する方法を示す概略図を描写する図である。 本発明の１つまたは複数の実施形態による、３Ｄナノプローブを有するバイオセンサ・システムを使用する方法を示す概略図を描写する図である。

開示の実施形態の添付の図および以下の詳細な説明において、図に示された様々な要素が、３桁または４桁の参照番号で示されている。各参照番号の一番左の桁は、図の要素が最初に示されている図に対応する。

本発明の様々な実施形態が、関連図面を参照しながら本明細書で説明される。代替実施形態が、本発明の範囲から逸脱することなく考案されることが可能である。様々な接続および位置関係（例えば、上方に（over）、下に（below）、隣接した（adjacent）、等）が、以下の説明における要素間、および図面における要素間に示されるということに留意されたい。これらの接続関係または位置関係あるいはその両方は、別途指定されない限り、直接的または間接的であることが可能であり、本発明は、この点において限定することを意図するものではない。したがって、エンティティの連結は、直接的連結または間接的連結を指すことができ、エンティティ間の位置関係は、直接的位置関係または間接的位置関係であることが可能である。間接的位置関係の例として、層「Ｂ」の上方に層「Ａ」を形成することへの本説明における言及は、層「Ａ」および層「Ｂ」の関連した特性および機能が、中間層によって実質的に変更されない限り、１つまたは複数の中間層（例えば層「Ｃ」）が、層「Ａ」と層「Ｂ」との間にある状態を含む。

特許請求の範囲および本明細書の解釈のために以下の定義および省略形が使用される。本明細書で使用されるように、用語「備える（comprise）」、「備える（comprising）」、「含む（includes）」、「含む（including）」、「有する（has）」、「有する（having）」、「収める（contains）」、もしくは「収める（containing）」、またはこれらの他の任意の変形は、非排他的な包括をカバーすることを意図するものである。例えば、要素の一覧を含む組成、混合、プロセス、方法、物品、または装置は、これらの要素のみに必ずしも限定されず、このような組成、混合、プロセス、方法、物品、または装置に対して明確に挙げられない、または固有でない他の要素を含むことができる。

さらに、用語「例示的（exemplary）」は、「例、実例、または例証としての役割を果たすこと」を意味するために本明細書で使用される。「例示的」なものとして本明細書で説明される任意の実施形態または設計は、他の実施形態または設計に対して好ましいもの、または有利なものとして必ずしも解釈されない。用語「少なくとも１つ（at least one）」および「１つまたは複数（one or more）」は、１以上の任意の整数、すなわち１、２、３、４、等を含むものと理解される。用語「複数（a plurality）」は、２以上の任意の整数、すなわち２、３、４、５、等を含むものと理解される。用語「接続（connection）」は、間接的「接続」および直接的「接続」を含むことができる。

「１つの実施形態（one embodiment）」、「実施形態（an embodiment）」、「実施形態の例（an example embodiment）」等への本明細書における言及は、説明された実施形態が、特定の特徴、構造、または特性を含むことができるということを示すが、あらゆる実施形態が、特定の特徴、構造、または特性を含むことも、含まないことも可能である。さらに、このような句は、同じ実施形態に必ずしも言及していない。さらに、特定の特徴、構造、または特性が実施形態に関連して説明されるとき、明確に説明されるか否かに関わらず、他の実施形態に関連したこのような特徴、構造、または特性に実施形態が影響を及ぼすことを当業者が知っているということが述べられている。

以下の説明のために、用語「上部（upper）」、「下部（lower）」、「右（right）」、「左（left）」、「垂直（vertical）」、「水平（horizontal）」、「頂部（top）」、「底部（bottom）」、およびこれらの派生語は、描画図面の中で向けられるような、説明された構造および方法に関連する。用語「横たわる（overlying）」、「頂上に（atop）」、「頂部に（on top）」、「に位置する（positioned on）」、または「頂上に位置する（positioned atop）」は、第１の構造などの第１の要素が、第２構造などの第２の要素の上に存在していることを意味し、ここで、インターフェース構造などの介在する要素は、第１の要素と第２の要素との間に存在していることが可能である。句「直接の接触（direct contact）」は、第１の構造などの第１の要素、および第２の構造などの第２の要素が、２つの要素のインターフェースに、任意の中間の導電層、絶縁層、または半導体層がない状態で接続されることを意味する。例えば「第２の要素に対して選択的な第１の要素」などの句「に対して選択的な（selective to）」は、第１の要素がエッチングされることが可能であること、および第２の要素が、エッチング防止として作用することが可能であることを意味する。用語「約（about）」、「実質的に（substantially）」、「およそ（approximately）」、およびこれらの変形は、用途を満たすときに、利用可能な機器に基づく特定の量の測定値と関連付けられたエラーの程度を含むことを意図するものである。例えば「約」は、所与の値の±８％または±５％、または±２％の範囲を含むことができる。

簡潔さのために、半導体デバイスおよび集積回路（ＩＣ）の製造に関連した従来の技法は、本明細書で詳細に説明されることもあれば、説明されないこともある。さらに、本明細書で説明される様々なタスクおよびプロセス・ステップが、本明細書で詳細に説明されないさらなるステップまたは機能を有するさらに包括的な手順またはステップに組み込まれることが可能である。特に、半導体デバイスおよび半導体ベースのＩＣの作製における様々なステップがよく知られているので、簡潔さのために、多くの従来のステップは、本明細書で簡単に言及されるにすぎず、またはよく知られたプロセスの詳細を示すことなく完全に省略される。

しかし背景として、本発明の１つまたは複数の実施形態を実装する際に利用されることが可能な半導体デバイス製造プロセスのさらに全般的な説明が、次に行われる。本発明の１つまたは複数の実施形態を実装する際に使用される特定の製造作業は、個別に知られている可能性があるが、本発明の作業または結果として生じる構造あるいはその両方の説明された組合せは一意である。したがって、本発明による、説明された動作の一意の組合せは、半導体（例えばシリコン）基板上で行われる様々な個別に知られた物理プロセスおよび化学プロセスを利用し、これらのうちのいくつかが次の段落で説明される。

一般に、ＩＣにパッケージ化されることになるマイクロ・チップを形成するために使用される様々なプロセスは、４つの一般的なカテゴリ、すなわち、フィルム堆積（またはフィルム形成）、除去／エッチング、半導体ドーピング、およびパターニング／リソグラフィに分類される。堆積は、ウエハ上で材料を成長させること、コーティングすること、またはそうでなければ転写することを行う任意のプロセスである。利用可能な技術は、中でも、物理蒸着（ＰＶＤ：physical vapor deposition）、化学蒸着（ＣＶＤ：chemical vapor deposition）、プラズマ強化化学蒸着（ＰＥＣＶＤ：plasma-enhanced chemical vapor deposition）、電気化学堆積（ＥＣＤ：electrochemical deposition）、分子線エピタキシ（ＭＢＥ：molecular beam epitaxy）、ならびに、さらに最近では、原子層堆積（ＡＬＤ：atomic layer deposition）、およびプラズマ強化原子層堆積（ＰＥＡＬＤ：plasma-enhanced atomic layer deposition）を含む。

除去／エッチングは、ウエハから材料を除去する任意のプロセスである。例は、エッチング・プロセス（ウェットまたはドライ）、および化学機械平坦化（ＣＭＰ：chemical-mechanical planarization）などを含む。緩衝フッ化水素酸（ＢＨＦ：buffered hydrofluoric acid）エッチングなどのウェット・エッチング・プロセスは、液体化学薬品または腐食液を使用して表面から材料を除去する材料除去プロセスである。反応性イオン・エッチング（ＲＩＥ：reactive ion etching）などのドライ・エッチング・プロセスは、化学反応性プラズマを使用して、露出面から材料の一部を取り除くイオンの衝撃に材料を露出させることによって、半導体材料のマスクされたパターンなどの材料を除去する。プラズマは、電磁場によって低圧力（真空）の下で生成される。

半導体ドーピングは、一般に拡散によって、またはイオン注入によって、あるいはその両方によって、例えばトランジスタのソースおよびドレインをドーピングすることによる電気的性質の変更である。これらのドーピング・プロセスには、炉アニーリングまたは高速熱アニーリング（ＲＴＡ：rapid thermal annealing）が続く。アニーリングは、埋め込まれたドーパントを活性化する役割を果たす。導体（例えば、ポリシリコン、アルミニウム、銅、等）と、絶縁体（例えば、様々な形式の二酸化ケイ素、窒化ケイ素、等）の両方のフィルムが、トランジスタおよびトランジスタの構成要素を接続および隔離するために使用される。半導体基板の様々な領域の選択的ドーピングは、電圧の印加によって基板の導電率が変更されることを可能にする。これらの様々な構成要素の構造を作り出すことによって、現代のマイクロ電子デバイスの複雑な回路機器を形成するために、何百万ものトランジスタが構築されること、および相互に配線されることが可能になる。

半導体リソグラフィは、パターンを基板に後で転写するための、半導体基板上の３次元レリーフ・イメージまたはパターンの形成である。半導体リソグラフィにおいて、パターンは、フォトレジストと呼ばれる感光性ポリマーによって形成される。トランジスタ、および回路の何百万ものトランジスタを接続する多くのワイヤを作り上げる複雑な構造を構築するために、リソグラフィおよびエッチング・パターン転写ステップが何度も繰り返される。ウエハ上にプリントされる各パターンは、以前に形成されたパターンに揃えられ、ゆっくりと、導体、絶縁体、および選択的ドープ領域が、最終的なデバイスを形成するために作り上げられる。

次に、本発明にさらに具体的に関連する技術の説明に移ると、トランジスタは、多種多様なＩＣにおいて一般に見られる半導体デバイスである。トランジスタは本質的にはスイッチである。閾値電圧より大きい電圧がトランジスタのゲートに印加されると、スイッチはオンになり、トランジスタを通って電流が流れる。ゲートにおける電圧が閾値電圧より小さいとき、スイッチはオフになり、トランジスタを通って電流は流れない。

半導体デバイスは、ウエハの活性領域を使用して形成される。活性領域は、隣接した半導体デバイスを隔てて電気的に隔離するために使用される隔離領域によって定義される。例えば、複数の金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ：metal oxide semiconductor field effect transistor）を有するＩＣにおいて、各ＭＯＳＦＥＴは、半導体材料の層内にｎ型またはｐ型の不純物を埋め込むことによって半導体層の活性領域に形成されるソースおよびドレインを有する。チャネル（またはボディ）領域は、ソースとドレインの間に配置される。ゲート電極は、ボディ領域の上に配置される。ゲート電極およびボディは、ゲート誘電体層によって離間される。相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ：Complementary metal oxide semiconductor）は、ｐ型ＭＯＳＦＥＴとｎ型ＭＯＳＦＥＴの相補的かつ対称的なペアを使用して論理機能を実行する技術である。

バイオセンサは、電気化学プロセスを利用して、認識素子によって識別された検出イベントを、変換素子（例えばＦＥＴ）を使用して電気信号にコンバートすることによって、化学状態（例えばｐＨ）、化学状態の変化（例えばｐＨの変化）、または生物学的物質（例えば、酵素、抗体、ＤＮＡ、マイクロＲＮＡなど）の存在を検出する。

次に、本発明の態様の全体像に移ると、本発明の実施形態は、円柱、角錐、円錐などのような３Ｄナノプローブ構造でＦＥＴのゲートが形づくられるＦＥＴベースのバイオセンサを提供する。３Ｄナノプローブは、ｐＨを測定するために認識素子（例えばＴｉＮ）でコーティングされることが可能である。３Ｄナノプローブは、チオール化合物（Thiol Chemistry）を使用する別の認識素子（例えばＡｕ）または測定生体分子でコーティングされることが可能である。例えば、ＤＮＡを検出するために、標的ＤＮＡに対して相補的な一本鎖ＤＮＡで金表面が機能化されることが可能である。いくつかの実施形態において、３Ｄナノプローブは、３Ｄナノプローブが細胞壁を貫通して接触し、細胞内の液体から測定値をもたらすのを容易にする幅寸法（例えば約１００ｎｍ）および他の構造特徴をもたらす。典型的な細胞の大きさは約５×５μｍ^２である。したがって、本発明の実施形態は、目的の検体が検知面に結合する効率を改善し、信号強度を改善し、信号対雑音比を改善する、さらに大きな検知面エリアをもたらす。本発明の実施形態は、ＦＥＴおよび３Ｄナノプローブ構造を製造するための方法、ならびにＦＥＴおよび３Ｄナノプローブ構造を使用するための方法も対象とする。

次に、本発明の態様のさらに詳細な説明に移ると、図１は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、バイオセンサ・システム１００の概略図である。バイオセンサ・システム１００は、図示のように構成され、配置された第１のバイオセンサ１１０、第２のバイオセンサ１２０、およびプロセッサ１３０を含む。第１のバイオセンサ１１０は、３Ｄナノプローブ１１２のアレイに通信連結された第１の検知回路１１６を含む。第２のバイオセンサ１２０は、３Ｄナノプローブ１２２のアレイに通信連結された第２の検知回路１２６を含む。本発明の実施形態において、検知回路１１６、１２６は、１つまたは複数のＦＥＴとして実装されることが可能である。例示および説明の容易性のために、バイオセンサ・システム１００は２つのバイオセンサ１１０、１２０を含み、各バイオセンサ１１０、１２０は、図示のように構成され、配置された、１つの検知回路１１６、１２６、および２つの３Ｄナノプローブ１１２、１２２を含む。しかし、バイオセンサ・システム１００は、３つ以上のバイオセンサ１１０、１２０を含むことができ、各バイオセンサ１１０、１２０は、２つ以上の検知回路１１６、１２６、および任意の数の３Ｄナノプローブ１１２、１２２を有する任意の数のアレイを含むことができる。第１の検知回路出力１１８は、第１の検知回路１１６からプロセッサ１３０に供給される。第２の検知回路出力１２８は、第２の検知回路１２６からプロセッサ１３０に供給される。

コンテナ１０２は、複数の生体細胞１４２Ａ、１４２Ｂ、１４２Ｃを含むサンプル１４０を保持する。例示および説明の容易性のために、３つの生体細胞だけが図１に描かれている。しかし、任意の数の生体細胞がサンプル１４０の中にあることが可能である。本発明のいくつかの実施形態において、３Ｄナノプローブ１１２、１２２は生体外に施され、本発明のいくつかの実施形態において、３Ｄナノプローブ１１２、１２２は生体内に施される。いくつかの実施形態において、３Ｄナノプローブ１１２、１２２は経皮で施される。したがって、コンテナ１０２は、様々な形式をとることができる。生体外の用途のために、コンテナ１０２は、バイオセンサ・システム１００による分析のためのサンプル（例えばサンプル１４０）を保持するように構成された任意の構造として実装されることが可能である。生体内または経皮あるいはその両方の用途に対して、コンテナ１０２は、バイオセンサ・システム１００が適用されている生体である。したがって、本明細書で行われる説明において、コンテナ１０２への言及は、コンテナ１０２の潜在的な形式のすべてを含む。

第１のバイオセンサ１１０は、３Ｄナノプローブ１１２が生体細胞の壁（例えば生体細胞１４２Ａの細胞壁１４４）を貫通する本発明の態様の例を示し、生体細胞内の液体（例えば細胞内液１４６）と接触する。各３Ｄナノプローブ１１２は、少なくとも部分的に、生体細胞内の液体内の所定の素材と接触することに基づいて、第１の測定値を生成し、この測定値を直接的または間接的に検知回路１１６にもたらす。

第２のバイオセンサ１２０は、３Ｄナノプローブ１１２がサンプル１４０と相互作用するが、生体細胞の壁（例えば生体細胞１４２Ａの細胞壁１４４）を必ずしも貫通せず、生体細胞内の液体（例えば細胞内液１４６）と必ずしも接触しない本発明の態様の例を示す。各３Ｄナノプローブ１２２は、少なくとも部分的には、サンプル１４０内の所定の素材と接触することに基づいて、第２の測定値を生成し、この測定値を直接的または間接的に第２の検知回路１２６にもたらす。

バイオセンサ・システム１００は、様々なタイプの物理パラメータおよび化学パラメータを測定するために使用される。第１のバイオセンサ１１０の動作と、第２のバイオセンサ１２０の動作とは実質的に同じである。したがって、第１のバイオセンサ１１０の動作の以下の説明は、第２のバイオセンサ１２０に等しくあてはまる。検知回路またはＦＥＴ１１６はトランスデューサとして機能し、３Ｄナノプローブ１１２は、（バイオセンサ電極としても知られる）生物学的認識素子として３Ｄナノプローブ１１２が機能することを可能にする材料でコーティングされることが可能である。後で本明細書でより詳細に説明されるように、また本発明の実施形態によれば、３Ｄナノプローブ１１２は、２Ｄ検知面に限定される既知のバイオセンサ電極より大きな検知面エリア（例えば図１および図２に示された検知面エリア１１３、１１３Ａ）をもたらす。３Ｄナノプローブ１１２の検知面エリア１１３は、受容体、酵素、抗体、ＤＮＡ、または標的検体に対して生物学的に特異的な他のタイプの捕獲分子などのバイオフィルム素材でコーティングされることが可能である。３Ｄナノプローブ１１２の検知面エリアは、例えば、イオン濃度（例えばｐＨ）または標的生体分子（例えば、ＤＮＡ、マイクロＲＮＡ、酵素、抗体など）の濃度を検出するように構成されることが可能である。本明細書で前述の通り、用語「標的検体」およびその変形は、イオン、標的分子、または他の任意の生物学的物質に言及するために本明細書で使用される。

標的のイオンまたは分子あるいはその両方が、３Ｄナノプローブ１１２の検知面エリア１１３に結合すると、３Ｄナノプローブ１１２の検知面エリアにおける電荷分布が変化し、このことが、ＦＥＴ検知回路１１６のゲート（図示せず）における静電表面ポテンシャルの、対応する変化を引き起こす。表面ポテンシャルのこの変化がＦＥＴ検知回路１１６のゲートに電圧を印加し、このことが、ＦＥＴ検知回路１１６のゲートとソースの間の電圧降下（Ｖｇｓ）をもたらす。印加されたゲート電圧により、Ｖｇｓが閾値電圧（Ｖｔｈ）に達すると、電流は、ＦＥＴ検知回路１１６のソースからドレインに流れ始める。Ｖｔｈは、チャネルが伝導するのを可能にするのに十分な密度の可動電子またはホールがＦＥＴチャネルに集まるＶｇｓの値として定義される。Ｖｇｓの値、および結果として生じる、ＦＥＴ検知回路１１６を通るソースからドレインへの電流の流れは、３Ｄナノプローブ１１２の検知面エリアに結合する標的のイオンまたは分子あるいはその両方に比例する。

ＦＥＴ検知回路１１６を通る電流（またはコンダクタンス）の変化は、ＦＥＴ検知回路出力１１８としてプロセッサ１３０に送られ、３Ｄナノプローブ１１２の検知面エリアに結合している検体を検出するために分析される。プロセッサ１３０は、ＦＥＴ検知回路出力１１８を受け取り、必要に応じてさらに処理し、より簡単に測定され、数量化されたユーザ・フレンドリな形式で結果を表示する、バイオセンサ読取デバイス（図示せず）として実装されることが可能である。

図１に示された３Ｄナノプローブ１１２、１２２のさらに詳細な説明が次に、図２に示された３Ｄナノプローブ形状１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄの例を参照しながら行われる。図２に示された３Ｄナノプローブ形状１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄは、図１に示された第１のバイオセンサ１１０または第２のバイオセンサ１２０にあてはめることができる。図１に示されたように、３Ｄナノプローブ１１２Ａは円柱型の例を描写し、３Ｄナノプローブ１１２Ｂは非縦長の角錐型形状の例を描写し、３Ｄナノプローブ１１２Ｃは縦長の角錐型形状の例を描写し、３Ｄナノプローブ１１２Ｄは円錐型形状の例を描写している。図示のように、各３Ｄナノプローブ形状１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄはそれぞれ、高さ（Ｈ）寸法、幅（Ｗ）寸法、および深さ（Ｄ）寸法を含む。各３Ｄナノプローブ形状１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄは、外面１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ、１１３Ｄ、および頂点領域１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ、１１４Ｄを定義する。いくつかの実施形態において、頂点領域１１４Ａ、１１４Ｂ、１１４Ｃ、１１４Ｄは、ピーク１１５Ａ、１１５Ｂ、１１５Ｃ、１１５Ｄで終わるように構成される。

図３は、２Ｄの実質的に平面の検知面１５２を有する既知のバイオセンサ電極１５０のブロック図を描写する。図３は同様に、本発明の実施形態による、２Ｄの実質的に平面の表面１７２上に形成された３Ｄナノプローブ１１２Ａのアレイを有するバイオセンサ電極１７０のブロック図を描写する。例証および説明の容易性のために、バイオセンサ電極１７０は、円柱型３Ｄナノプローブ１１２Ａのアレイで描写される。しかし、バイオセンサ電極１７０は、非縦長の角錐型３Ｄナノプローブ１１２Ｂ、縦長の角錐型３Ｄナノプローブ１１２Ｃ、円錐型３Ｄナノプローブ１１２Ｄ、またはこれらの任意の組合せおよび配置のアレイで実装されることが可能である。

図２および図３において最もよく描写されているように、３Ｄナノプローブ形状１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄはそれぞれ、それぞれが高さ（Ｈ）寸法、幅（Ｗ）寸法、および深さ（Ｄ）寸法を有する外面１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ、１１３Ｄを定義する。外面１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ、１１３Ｄは、検知面として機能するように認識素子でコーティングされることが可能であり、検知面１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ、１１３Ｄによってもたらされた検知面エリアは、検知面１１３Ａ、１１３Ｂ、１１３Ｃ、１１３ＤのＨ寸法、Ｗ寸法、およびＤ寸法によって判断される。いくつかの実施形態において、バイオセンサ電極１７０の最終的な構成は、バイオセンサ電極１７０にさらなる検知面エリアをもたらすために、表面１７２も認識素子でコーティングされることが可能になるように、２Ｄの実質的に平面の表面１７２を露出したままにすることができる。認識素子は、受容体、酵素、抗体、ＤＮＡ、または標的検体に対して生物学的に特異的な他のタイプの捕獲分子などのバイオフィルム素材であることが可能である。認識素子は、例えば、イオン濃度（例えばｐＨ）、または標的生体分子（例えば、ＤＮＡ、マイクロＲＮＡ、酵素、抗体など）の濃度を検出するように構成されることが可能である。

用語「標的検体」およびその変形は、イオン、標的分子、または他の任意の生物学的物質に言及するために本明細書で使用される。

したがって、本発明の実施形態は、検知面エリアを増加させるために調整可能な電極パラメータの数を増加させ、したがって検知面の信号強度、ならびに検知面の信号対雑音比を改善する。より具体的には、電極パラメータは、３Ｄナノプローブを提供すること、３Ｄナノプローブの３Ｄ形状、３Ｄナノプローブの高さ寸法、複数の３Ｄナノプローブをアレイに編成すること、２Ｄ電極表面上に複数の３Ｄナノプローブを編成すること、３Ｄナノプローブによってもたらされた検知面エリアの他に検知面エリアをもたらすために２Ｄ電極表面の一部が露出するように２Ｄ電極表面上に複数の３Ｄナノプローブを編成すること、ならびに上記の変形形態および組合せを含むがこれらに限定されない。既知のバイオセンサ電極１５０において、検知面エリアを増加させるために調整可能な電極パラメータは、２Ｄの実質的に平面の検知面１５２の幅（Ｗ）寸法および深さ（Ｄ）寸法に限定され、これらのそれぞれは、電極のフットプリントを増加させることに対する不利益を有する。

３Ｄナノプローブ１１２、１２２、１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２ＤのＷ寸法、Ｄ寸法、およびＨ寸法は、設計上の考慮事項に従って変えることができる。例えば、３Ｄナノプローブ１１２、１２２、１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２ＤのＷ寸法、Ｄ寸法、およびＨ寸法は、所定の値を有するように、所定の範囲内の値を有するように、互いに対して固定比率を有する値を有するように、または本明細書で説明された３Ｄナノプローブ１１２、１２２、１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄの機能による他の任意の考慮事項もしくは考慮事項の組合せに基づく値を有するように、設計されることが可能である。

図４は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、バイオセンサ・システム１００を使用する方法２００を示す流れ図である。ブロック２０２はサンプル１４０にアクセスする。ブロック２０４は、バイオセンサ１１０の３Ｄナノプローブ構造１１２の３Ｄ検知面構造１１３にサンプル１４０を露出させる。バイオセンサ１１０は、３Ｄナノプローブ構造１１２および３Ｄ検知面構造１１３に通信連結された検知回路１１６を含む。ブロック２０６において、少なくとも部分的には、サンプル１４０内の所定の素材と接触する３Ｄ検知面構造１１３に基づいて、３Ｄ検知面構造１１３は、第１の測定値を生成する。ブロック２０８において、第１の測定値に基づいて、検知回路１１６は、所定の素材の所定の特性に比例する検知回路出力１１８を生成する。

本発明のいくつかの実施形態において、３Ｄ検知面構造１１３にサンプル１４０を露出させることは、サンプル１４０を収めるコンテナ１０２に検知面構造１１３を設置することによって行われることができる。本発明のいくつかの実施形態において、３Ｄ検知面構造１１３にサンプル１４０を露出させることは、十分な圧力をかけて３Ｄナノプローブ構造１１２に生体細胞１４２Ａの細胞壁１４４を貫通させて、生体細胞１４２Ａ内の液体１４６に接触させることによって行われることができる。圧力は、３Ｄナノプローブ構造１１２、生体細胞１４２、または両方を通じてかけられることが可能である。本発明のいくつかの実施形態において、バイオセンサ１１０は、いくつかの状況において、生体細胞１４２Ａ内でしか見られない目的の検体の測定値をバイオセンサ・システム１００が記録するまで、生体細胞１４２Ａに近い方に動かされる。したがって、バイオセンサ・システム１００が、目的の素材のゼロ以外の量を測定すると、バイオセンサ１１０が細胞壁１４４を貫通したということが推定されることが可能となり、バイオセンサ１１０をさらに動かす追加の圧力は解除される。本発明のいくつかの実施形態において、生体細胞１４２Ａが、明確に定義された堅い底面を有するコンテナ１０２内に置かれる場合、バイオセンサ１１０は、センサ・プローブ１１２が細胞壁１４４を貫通し、コンテナ１０２の底部によって動きが減速されるまで、生体細胞１４２Ａおよびコンテナ・ユニット１０２に向けて動かされる。本発明のいくつかの実施形態において、バイオセンサ１１０は、細胞壁１４４に対するバイオセンサ・プローブ１１２の位置を判断するために使用される、一体型顕微鏡を含む。一体型顕微鏡を有するバイオセンサ１１２は、生物学的サンプル１４０に焦点が合わされる。本発明のいくつかの実施形態において、サンプル１４０およびコンテナ１０２は、従来の顕微鏡と同じように、可動テーブル上に構成され、テーブルは、バイオセンサ・プローブ１１２が細胞壁１４４を貫通するまで、バイオセンサ・プローブ１１２に向けて動かされる。

本発明のいくつかの実施形態において、上述の３Ｄナノプローブ構造は、複数の３Ｄナノプローブ１１２Ａおよび複数の３Ｄ検知面１１３Ａを有するアレイ（例えば図３に示されたアレイ１７０）として実装される。

図５は、本発明の態様による、（図１に示された）検知回路１１６から（図１に示された）検知回路出力１１８を受け取り、検知回路出力１１８を処理／分析するように構成された、例示的なコンピューティング・デバイス（「コンピュータ」）３２０を含むコンピュータ・システム１３０Ａとして、（図１に示された）プロセッサ１３０がどのように実行されることが可能であるかについてのさらに詳細な例を示す。コンピュータ３２０の他に、例示的なコンピュータ・システム１３０Ａは、さらなるシステム（図示せず）にコンピュータ３２０を接続し、インターネット、イントラネット、またはワイヤレス通信ネットワーク、あるいはその組合せなどの、１つまたは複数の広域ネットワーク（ＷＡＮ）またはローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）あるいはその両方を含むことが可能なネットワーク３３４を含む。コンピュータ３２０およびさらなるシステムは、例えばこれらの間でデータを通信するために、ネットワーク３３４を介して通信状態にある。

例示的なコンピュータ３２０は、バス３３２を介して通信状態にある、プロセッサ・コア３２２、メイン・メモリ（「メモリ」）３２８、および入出力構成要素３３０を含む。プロセッサ・コア３２２は、キャッシュ・メモリ（「キャッシュ」）３２４および制御装置３２６を含む。キャッシュ３２４は、プロセッサ３２２に対してオンチップまたはオフチップの、複数のキャッシュ・レベル（描写せず）を含むことが可能である。メモリ３２４は、例えば、プロセッサ３２２による実行のために、制御装置３２６によってキャッシュ３２４との間で移送されることが可能な例えば、命令、ソフトウェア、ルーチン等といった、メモリ３２４に格納された様々なデータを含むことが可能である。入出力構成要素３３０は、ディスプレイ、キーボード、モデム、ネットワーク・アダプタ等（描写せず）など、コンピュータ３２０との間でローカルまたはリモートあるいはその両方の入出力動作を容易にする１つまたは複数の構成要素を含むことが可能である。

図６～図１５は、本発明の実施形態による３Ｄナノプローブを有するバイオセンサ１１０Ａを形成するための例示的な方法を示す。図６～図１５に示されたバイオセンサ１１０Ａは、図１に示された第１および第２のバイオセンサ１１０、１２０の実装の例である。図６～図１５に示された例において、バイオセンサ１１０Ａは半導体デバイスとして実装され、より具体的には、いくつかの実施形態において、細胞壁を貫通し、細胞の内側から直接的に細胞内の測定を行うように構成されることが可能な、３Ｄ構造のナノプローブを有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として実装される。本発明の実施形態によるバイオセンサ１１０Ａの実装に使用される半導体デバイス製造プロセスの全体的な説明を次に行う。バイオセンサ１１０Ａを実装する際に使用される特定の製造作業は、個別に知られているかもしれないが、本発明の作業または結果として生じる構造あるいはその両方の記載された組合せは一意である。したがって、本発明による、記載された動作の一意の組合せは、半導体（例えばシリコン）基板上で行われる様々な個別に知られた物理プロセスおよび化学プロセスを利用し、これらのうちのいくつかが次の段落でさらに詳細に説明される。

図６は、本発明の実施形態による初期製造段階後のバイオセンサ１１０Ａの断面図を描写する。図６に示された製造段階において、基板４０２は、従来の製造技法を使用して半導体材料から形成される。本発明のいくつかの実施形態において、基板４０２は、バルク・シリコン材料から形成される。本発明のいくつかの実施形態において、基板４０２は、セミコンダクタ・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板構成で実装される。基板４０２の半導体材料に適した材料の非限定的な例は、Ｓｉ（シリコン）、歪みＳｉ、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、Ｇｅ（ゲルマニウム）、ＳｉＧｅ（シリコン・ゲルマニウム）、ＳｉＧｅＣ（シリコン・ゲルマニウム・カーボン）、Ｓｉ合金、Ｇｅ合金、ＩＩＩ－Ｖ材料（例えば、ＧａＡｓ（ヒ化ガリウム）、ＩｎＡｓ（ヒ化インジウム）、ＩｎＰ（リン化インジウム）、またはヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ））、ＩＩ－ＶＩ材料（例えば、ＣｄＳｅ（セレン化カドミウム）、ＣｄＳ（硫化カドミウム）、ＣｄＴｅ（テルル化カドミウム）、ＺｎＯ（酸化亜鉛）、ＺｎＳｅ（セレン化亜鉛）、ＺｎＳ（硫化亜鉛）、またはＺｎＴｅ（テルル化亜鉛））、あるいはこれらの任意の組合せを含む。半導体材料の他の非限定的な例は、例えば、リン化インジウム（ＩｎＰ）、ヒ化ガリウム（ＧａＡｓ）、ヒ化アルミニウム（ＡｌＡｓ）、またはこれらの任意の組合せといった、ＩＩＩ－Ｖ材料を含む。ＩＩＩ－Ｖ材料は、アルミニウム（Ａｌ）、ホウ素（Ｂ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）などの、少なくとも１つの「ＩＩＩ元素」、および窒素（Ｎ）、リン（Ｐ）、ヒ素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）などの、少なくとも１つの「Ｖ元素」を含むことが可能である。

図７は、半導体デバイスおよびＩＣ製造に関連した従来の技法を使用して、シャロー・トレンチ・アイソレーション（ＳＴＩ）領域４０４が酸化物材料から基板４０２内に形成される製造段階後のバイオセンサ１１０Ａの断面図を描写する。１つまたは複数の実施形態において、ＳＴＩ領域４０４は、薄い酸化層を形成し、その後に窒化ケイ素を堆積させることによって形成されることが可能である。従来のリソグラフィおよびドライ・エッチング（例えばＲＩＥ）プロセスは、窒化ケイ素および酸化物を通って基板４０２に延びる浅いトレンチを形成するために使用されることが可能である。浅いトレンチの側壁は熱酸化プロセスを使用して酸化され、ＨＤＰプロセスまたはＣＶＤプロセスが、浅いトレンチを酸化物で満たすために使用される。ＣＭＰプロセスは、窒化ケイ素の水平面から酸化物を除去するために適用される。窒化ケイ素は、例えば熱いリン酸を使用して除去され、詰め物の酸化物は、例えばフッ化水素酸を使用して除去され、このことが、酸化物材料から形成されたＳＴＩ領域４０４をもたらす。

図８は、ゲート誘電体（例えばＳｉＯ_２）４１０、ポリシリコン・ゲート電極４０６、およびゲート・ハード・マスク（例えばＳｉＮ）４０８が、半導体デバイスおよびＩＣ製造に関連した従来の技法を使用して基板４０２上に形成された製造段階後のバイオセンサ１１０Ａの断面図を描写する。従来のリソグラフィおよびドライ・エッチング（例えばＲＩＥ）プロセスは、ポリシリコン・ゲート電極４０６を形成するために使用される。ドライ・エッチング・プロセスによってフォトレジスト層の特徴をポリシリコン材料に転写するために、ポリシリコン材料が堆積され、リソグラフィ・プロセスが使用される。ドライ・エッチングは、ゲート誘電体層４１０の上部表面上で停止される。

図９は、ゲート誘電体４１０およびハード・マスク４０８の一部が除去され、ケイ化物層４１４、４１４Ａ、およびスペーサ４１２が半導体デバイスおよびＩＣ製造に関連した従来の技法を使用して形成された製造段階後のバイオセンサ１１０Ａの断面図を描写する。ソース／ドレイン（Ｓ／Ｄ）拡張領域を含むＳ／Ｄ領域７０２を形成するために、従来のＣＭＯＳ処理（例えばイオン注入）が使用される。Ｓ／Ｄ領域７０２は、ＲＴＡプロセスによって活性化される。

図１０は、酸化物フィル（oxide fill）４１６が、バイオセンサ１１０Ａ上に堆積され、平らな酸化物表面を形成するまで研磨された製造段階後のバイオセンサ１１０Ａの断面図を描写する。１つまたは複数の実施形態において、酸化物フィルは、ＨＤＰまたはＳＡＣＶＤ堆積プロセスを使用して堆積される。酸化物フィル４１６の平らな表面を形成するために、時限式ＣＭＰが適用されることが可能である。

図１１は、図１０に示されたバイオセンサ１１０Ａの線Ａ－Ａ’に沿った平面図を描写する。

図１２は、従来のリソグラフィおよびドライ・エッチング・プロセスが、（図１０に示された）酸化物フィル４１６を通ってゲート領域４０６の上方に延びるコンタクト・ホール４１８を形成するために使用される製造段階後の、図１０に示されたバイオセンサ１１０Ａの線Ａ－Ａ’に沿った平面図を描写する。

図１３は、（図１０に示された）酸化物フィル４１６を通ってゲート領域４０６の上方に延びるコンタクト・ホール４１８、およびＳ／Ｄ領域７０２の一部をさらに示す、図１２に示されたバイオセンサ１１０Ａの断面図を描写する。

図１４は、コンタクト・ホール４１８が、認識素子として機能することになるライナー（例えばＴａＮ）で裏打ちされる製造段階後のバイオセンサ１１０Ａの断面図を描写する。認識素子は、受容体、酵素、抗体、ＤＮＡ、または標的検体に対して生物学的に特異的な他のタイプの捕獲分子などのバイオフィルム素材であることが可能である。認識素子は、例えば、イオン濃度（例えばｐＨ）、または標的生体分子（例えば、ＤＮＡ、マイクロＲＮＡ、酵素、抗体など）の濃度を検出するように構成されることが可能である。用語「標的検体」およびその変形は、イオン、標的分子、または他の任意の生物学的物質に言及するために本明細書で使用される。ホール４１８の残りの容積は、本発明の実施形態による円柱型３Ｄナノプローブ４２０を形成するために、ＡＬＤまたはＣＶＤ処理によって金属（例えばＷ）で満たされる。

図１５は、円柱型３Ｄナノプローブ４２０の末端領域４２２を露出させるためにハフニウム（Ｈｆ）ディップまたはＲＩＥプロセスを使用して酸化物フィル４１６がさらにくぼんだ製造段階後のバイオセンサ１１０Ａの断面図を描写する。酸化物フィル４１６をくぼませることは、円柱型３Ｄナノプローブ４２０のＨ寸法の所望量を露出させるために、制御され、および調整されることができる。いくつかの実施形態において、円柱型３Ｄナノプローブ４２０のＨ寸法全体は、円柱型３Ｄナノプローブ４２０の（図２に最もよく示される）検知面１１３Ａの全体を露出させるように露出されることが可能である。いくつかの実施形態において、ケイ化物層４１４Ａの最上面は、円柱型３Ｄナノプローブ４２０の（図２に最もよく示される）検知面１１３Ａを補うための別の検知面を設けるために露出され、および認識素子でコーティングされることができる。

図１６～図２０は、本発明の実施形態によるバイオセンサ１１０Ｂを形成するための例示的な方法を示す。図１６～図２０に示されたバイオセンサ１１０Ｂは、図１に示されたバイオセンサ１１０の実装形態の例である。図１６～図２０に示された例において、バイオセンサ１１０Ｂは、半導体デバイスとして、またより具体的には、図２の１１２Ｃに示されたタイプの縦長の角錐型３Ｄナノプローブを有するＦＥＴとして、実装される。本発明の実施形態によるバイオセンサ１１０Ｂを実装する際に利用されることが可能な半導体デバイス製造プロセスの全体的な説明が次に行われる。バイオセンサ１１０Ｂを実装する際に使用される特定の製造作業は、個別に知られている可能性があるが、本発明の作業または結果として生じる構造あるいはその両方の説明された組合せは一意である。したがって、本発明による、説明された動作の一意の組合せは、半導体（例えばシリコン）基板上で行われる様々な個別に知られた物理プロセスおよび化学プロセスを利用し、これらのうちのいくつかが次の段落でさらに詳細に説明される。

図１６は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、製造段階後のバイオセンサ１１０Ｂの断面図を描写する。図１６に描写されたバイオセンサ１１０Ｂにおいて、酸化物フィル４１６がケイ化物層４１４Ａまで研磨されたこと、ならびにライナー（例えばＴｉＴｉＮまたはＴａＴａＮ）４３０および金属層（例えばＡｌまたはＷ）４３２がバイオセンサ１１０Ｂ上に堆積されたことを除いて、図６～図１０に描写された同じ製造作業が行われている。

図１７は、レジスト・パターン４３４が金属層４３２上に形成される製造段階後のバイオセンサ１１０Ｂの断面図を描写する。

図１８は、レジスト・パターン４３４を金属層４３２に転写するために金属層４３２がエッチングされた製造段階後のバイオセンサ１１０Ｂの断面図を描写する。

図１９は、例えば、図３に示された３Ｄナノプローブ１１２Ａ、１１２Ｂ、１１２Ｃ、１１２Ｄのいずれかの形状を含むことができる所望の形状に金属層４３２がエッチングされる製造段階後のバイオセンサ１１０Ｂの断面図を描写する。図２０は、図１９に示されたバイオセンサ１１０Ｂの上面図を描写する。図１９および図２０に描写された実施形態において、金属層４３２は、検知面エリア４５４および頂点領域４５２を有する縦長の角錐型３Ｄナノプローブ４５０の形状にエッチングされている。いくつかの実施形態において、金属層４３２は、約４５度などの適正な角度で行われるイオン・ビーム・エッチング（ＩＢＥ）を通じて形づくられる。検知面エリア４５４または頂点領域４５２あるいはその両方は、これらを認識素子として機能させるために、様々な材料でコーティングされることが可能である。特定のコーティング材料が、特定の用途にマッチするように選択される。

図２１は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、３Ｄナノプローブ４２０を有するバイオセンサ１１０Ａを使用するための構成を示す概略図を描写する。ソースからドレインへの電流が検知信号である。ゲート電圧は基準電極に印加され、ソース電圧および基板電圧はゼロ（０）Ｖに設定される。ドレイン電圧は小電圧（約２５ｍＶ）に設定される。ドレイン電圧は、ｎ型ＦＥＴに対して正電圧であり、ｐ型ＦＥＴに対して負電圧である。３Ｄナノプローブの３Ｄ検知面は、ｐＨ検知のためにＴｉＮで、Ｃｌ検出のためにＡｇＣｌで、またはチオール・ケミストリーを使用して生体分子を検出するために金でコーティングされることが可能である。

図２２は、本発明の１つまたは複数の実施形態による、３Ｄナノプローブ４２０を有するバイオセンサ１１０Ａを使用するための構成を示す概略図を描写する。ソースからドレインへの電流が検知信号である。ゲート電圧は基準電極に印加され、ソース電圧および基板電圧はゼロ（０）Ｖに設定される。ドレイン電圧は小電圧（約２５ｍＶ）に設定される。ドレイン電圧は、ｎ型ＦＥＴに対して正電圧であり、ｐ型ＦＥＴに対して負電圧である。３Ｄナノプローブの３Ｄ検知面は、ｐＨ検知のためにＴｉＮで、Ｃｌ検出のためにＡｇＣｌで、またはチオール・ケミストリーを使用して生体分子を検出するために金でコーティングされることが可能である。図２２に描写された実施形態において、３Ｄナノプローブは、３Ｄナノプローブが細胞壁を貫通して細胞内の液体に接触し、細胞内の液体から測定値をもたらすのを容易にする幅寸法（例えば約１００ｎｍ）に設定される。典型的な細胞の大きさは約５×５μｍ^２である。いくつかの実施形態において、３Ｄナノプローブ構造１１２Ａに生体細胞の細胞壁を貫通させて、生体細胞内の液体と接触させるために十分な圧力がかけられる。圧力は、図１に示されたバイオセンサ・システム１００に関する前述の様々な手順を使用して、３Ｄナノプローブ構造、生体細胞、または両方を通じてかけられることが可能である。

本発明は、人間の被験者における使用に関して主に開示されるが、本発明の教示は、哺乳動物、爬虫類、および無脊椎動物を含むがこれらに限定されない生物において使用されることが可能である。さらに、標的検体を伴う溶液は、海、湖、川、および池を含む、任意の水性環境、または水域であることが可能である。

したがって、本発明が、いくらかの技術的な利益および効果をもたらすということが前述の詳細な説明から分かる。本発明の実施形態はＦＥＴベースのバイオセンサを提供し、ここで、ＦＥＴのゲートは、円柱、角錐、円錐などのような３Ｄナノプローブ構造に形づくられる。３Ｄナノプローブは、ｐＨを測定するために認識素子（例えばＴｉＮ）でコーティングされることが可能である。３Ｄナノプローブは、チオール・ケミストリーを使用する別の認識素子（例えばＡｕ）または測定生体分子でコーティングされることが可能である。例えば、ＤＮＡを検出するために、標的ＤＮＡに対して相補的な一本鎖ＤＮＡで金表面が機能化されることが可能である。いくつかの実施形態において、３Ｄナノプローブは、３Ｄナノプローブが細胞壁を貫通して接触し、細胞内の液体から測定値をもたらすのを容易にする幅寸法（例えば約１００ｎｍ）および他の構造特徴をもたらす。典型的な細胞の大きさは約５×５μｍ^２である。したがって、本発明の実施形態は、さらに大きな検知面エリアをもたらし、このことが、目的の検体が検知面に結合する効率を改善し、信号強度を改善し、信号対雑音比を改善する。本発明の実施形態は、ＦＥＴおよび３Ｄナノプローブ構造を製造するための方法、ならびにＦＥＴおよび３Ｄナノプローブ構造を使用するための方法も対象とする。

本発明は、システム、方法、またはコンピュータ・プログラム製品、あるいはその組合せであることが可能である。コンピュータ・プログラム製品は、本発明の態様をプロセッサに行わせるためのコンピュータ可読プログラム命令を有するコンピュータ可読ストレージ媒体（または複数の媒体）を含むことができる。

コンピュータ可読ストレージ媒体は、命令実行デバイスによる使用のための命令を保持および格納することができる有形デバイスであることが可能である。コンピュータ可読ストレージ媒体は、例えば、電子ストレージ・デバイス、磁気ストレージ・デバイス、光ストレージ・デバイス、電磁気ストレージ・デバイス、半導体ストレージ・デバイス、または前述の任意の適切な組合せであることが可能であるがこれらに限定されない。コンピュータ可読ストレージ媒体のさらなる具体例の完全に網羅されていないリストは、ポータブル・コンピュータ・ディスケット、ハードディスク、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）、リード・オンリ・メモリ（ＲＯＭ）、消去可能プログラマブル・リード・オンリ・メモリ（ＥＰＲＯＭまたはフラッシュ・メモリ）、スタティック・ランダム・アクセス・メモリ（ＳＲＡＭ）、ポータブル・コンパクト・ディスク・リード・オンリ・メモリ（ＣＤ－ＲＯＭ）、デジタル多用途ディスク（ＤＶＤ）、メモリ・スティック、フロッピー（Ｒ）・ディスク、命令が記録されたパンチ・カードまたは溝内の隆起構造などの機械的にエンコードされたデバイス、および前述の任意の適切な組合せを含む。本明細書で使用されるようなコンピュータ可読ストレージ媒体は、電波もしくは他の自由に伝搬する電磁波、導波路もしくは他の伝送媒体を通じて伝搬する電磁波（例えば、光ファイバ・ケーブルを通過する光パルス）、またはワイヤを通じて伝送される電気信号などの、それ自体が一時的な信号であるものとして解釈されるべきではない。

本明細書で説明されるコンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータ可読ストレージ媒体から個々のコンピューティング・デバイス／処理デバイスに、あるいは例えば、インターネット、ローカル・エリア・ネットワーク、広域ネットワーク、もしくはワイヤレス・ネットワーク、またはその組合せといったネットワークを介して外部コンピュータもしくは外部ストレージ・デバイスに、ダウンロードされることが可能である。ネットワークは、銅伝送ケーブル、光伝送ファイバ、ワイヤレス伝送、ルータ、ファイアウォール、スイッチ、ゲートウェイ・コンピュータ、またはエッジ・サーバ、あるいはその組合せを含むことができる。各コンピューティング・デバイス／処理デバイス内のネットワーク・アダプタ・カードまたはネットワーク・インターフェースは、コンピュータ可読プログラム命令をネットワークから受け取り、個々のコンピューティング・デバイス／処理デバイス内のコンピュータ可読ストレージ媒体に格納するためにコンピュータ可読プログラム命令を転送する。

本発明の動作を実行するためのコンピュータ可読プログラム命令は、アセンブラ命令、インストラクション・セット・アーキテクチャ（ＩＳＡ）命令、機械語命令、機械依存命令、マイクロコード、ファームウェア命令、状態設定データ、またはＳｍａｌｌｔａｌｋ（Ｒ）、Ｃ＋＋などのようなオブジェクト指向プログラミング言語、および「Ｃ」プログラミング言語、もしくは類似のプログラミング言語などの従来の手続き型プログラミング言語を含む１つもしくは複数のプログラミング言語の任意の組合せで書かれたソース・コードもしくはオブジェクト・コードであることが可能である。コンピュータ可読プログラム命令は、スタンド・アロンのソフトウェア・パッケージとして、全面的にユーザのコンピュータ上で、部分的にユーザのコンピュータ上で実行することができ、部分的にユーザのコンピュータ上および部分的にリモート・コンピュータ上で、または全面的にリモート・コンピュータもしくはサーバ上で実行することができる。後者のシナリオにおいて、リモート・コンピュータは、ローカル・エリア・ネットワーク（ＬＡＮ）または広域ネットワーク（ＷＡＮ）を含む、任意のタイプのネットワークを通じてユーザのコンピュータに接続されることが可能であり、また接続は、（例えば、インターネット・サービス・プロバイダを使用してインターネットを通じて）外部コンピュータに対して行われることが可能である。いくつかの実施形態において、例えば、プログラマブル論理回路機器、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、またはプログラマブル・ロジック・アレイ（ＰＬＡ）を含む電子回路機器は、本発明の態様を行うために、コンピュータ可読プログラム命令の状態情報を利用して電子回路機器を個別化することによって、コンピュータ可読プログラム命令を実行することができる。

本発明の態様は、本発明の実施形態による方法、装置（システム）、およびコンピュータ・プログラム製品の流れ図またはブロック図あるいはその両方を参照しながら本明細書で説明される。流れ図またはブロック図あるいはその両方の各ブロック、ならびに流れ図またはブロック図あるいはその両方におけるブロックの組合せは、コンピュータ可読プログラム命令によって実行されることが可能であるということが理解されよう。

これらのコンピュータ可読プログラム命令は、コンピュータまたは他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサによって実行する命令が、流れ図またはブロック図あるいはその両方の１つまたは複数のブロックにおいて指定された機能／作用を実行するための手段を作り出すべく、汎用コンピュータ、専用コンピュータ、または他のプログラム可能データ処理装置のプロセッサに提供されて、マシンを作り出すものであってよい。これらのコンピュータ可読プログラム命令は、流れ図またはブロック図あるいはその両方の１つまたは複数のブロックにおいて指定された機能／作用の態様を実行する命令を含む製品を、命令が格納されたコンピュータ可読ストレージ媒体が備えるべく、コンピュータ可読ストレージ媒体に格納され、コンピュータ、プログラム可能データ処理装置、または他のデバイス、あるいはその組合せに特定の手法で機能するように指示することができるものであってもよい。

コンピュータ可読プログラム命令は、流れ図またはブロック図あるいはその両方の１つまたは複数のブロックにおいて指定された機能／作用を、コンピュータ、他のプログラム可能装置、または他のデバイス上で実行する命令が実行するべく、コンピュータ実行処理を生み出すように、コンピュータ、他のプログラム可能データ処理装置、または他のデバイスにロードされ、コンピュータ、他のプログラマブル装置、または他のデバイス上で一連の動作ステップを行わせるものであってもよい。

図中の流れ図およびブロック図は、本発明の様々な実施形態によるシステム、方法、およびコンピュータ・プログラム製品の可能な実装形態のアーキテクチャ、機能、および動作を示す。この点に関して、流れ図およびブロック図の中の各ブロックは、指定された論理機能を実行するための１つまたは複数の実行可能命令を含む命令のモジュール、セグメント、または部分を表すことができる。いくつかの代替実装形態において、ブロックに記載された機能は、図に記載された順序とは異なる順序で発生させることができる。例えば、連続して示された２つのブロックは、実際には、実質的に並行に実行されることが可能であり、またはブロックは、時には、関連する機能によって、逆の順序で実行されることが可能である。ブロック図または流れ図あるいはその両方の各ブロック、およびブロック図または流れ図あるいはその両方におけるブロックの組合せは、指定された機能または作用を行うか、専用のハードウェアとコンピュータ命令の組合せを行う、専用ハードウェア・ベースのシステムによって実行されることが可能であるということにも留意されたい。

本明細書で使用される専門用語は、特定の実施形態のみを説明するためのものであり、本発明を限定することを意図するものではない。本明細書で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、別途文脈が明確に示さない限り、複数形も同様に含むことを意図するものである。用語「備える（comprises）」または「備える（comprising）」あるいはその両方は、本明細書において使用されるとき、決められた特徴、整数、ステップ、動作、要素、または構成要素、あるいはその組合せの存在を指定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、またはこれらのグループ、あるいはその組合せの存在または追加を排除しないということがさらに理解されるであろう。

添付の特許請求の範囲におけるすべてのミーンズまたはステップ・プラス・ファンクション要素の、対応する構造、材料、作用、および均等物は、具体的に特許請求されるような他の請求要素と組み合わせて機能を行うための任意の構造、材料、または作用を含むことを意図するものである。本発明の説明は例証および説明のために提示されたが、開示された形式で本発明に対して網羅的であること、または限定されることを意図するものではない。本発明の範囲および思想から逸脱することなく、多くの変更および変形が当業者には明らかになるであろう。本発明の諸原理および実用的な用途を最もよく説明するために、また想定される特定の使用に適しているような様々な変更と共に様々な実施形態に対して、本発明を当業者が理解することを可能にするために、実施形態が選ばれ、説明された。

Claims (14)

1. ゲートを有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備えている検知回路と、
   前記検知回路に通信連結されたプローブと
   を備えているセンサであって、
   前記ゲートの頂部表面上の部分が２次元（２Ｄ）検知面を備えており、
   前記プローブは、前記２次元（２Ｄ）検知面上に、認識素子でコーティングされた３次元（３Ｄ）検知面を備えており、ここで、前記３次元（３Ｄ）検知面は、前記２次元（２Ｄ）検知面の一部が露出されるように、該２次元（２Ｄ）検知面上に配置されている、
   少なくとも部分的に所定の素材と相互作用する３次元（３Ｄ）検知面に基づいて第１の測定値を生成するように構成されている、
   前記センサ。
2. 前記プローブの構造が、複数のプローブを有するアレイであり、
   前記３Ｄ検知面の構造が、複数の３Ｄ検知面を有する、請求項１に記載のセンサ。
3. 前記プローブの構造が、複数のプローブを有するアレイであり、
   前記複数のプローブの３次元（３Ｄ）検知面が、異なる認識素子でコーティングされている、請求項１または２に記載のセンサ。
4. 露出された前記２次元（２Ｄ）検知面が、前記異なる認識素子のうちの一方と異なるコーティングをされている、請求項３に記載のセンサ。
5. 前記プローブの前記３Ｄ検知面が、生体細胞の壁を貫通し、前記生体細胞内の液体と接触するようにさらに構成されている、請求項１ないし４のいずれか１項に記載のセンサ。
6. 前記検知回路が、前記第１の測定値に基づいて、検知回路出力を生成するように構成されている、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のセンサ。
7. 前記検知回路出力が、前記所定の素材の所定の特性に比例する、請求項６に記載のセンサ。
8. 前記第１の測定値が、電圧を含み、
   前記ＦＥＴが、前記ＦＥＴのゲートにおける前記電圧を受け取るように構成されており、
   前記検知回路出力が、前記ＦＥＴのソースから前記ＦＥＴのドレインへの電流の流れを含む、
   請求項６または７に記載のセンサ。
9. 前記３Ｄ検知面の形状が、角錐、円錐、または円柱を含む、請求項１ないし８のいずれか１項に記載のセンサ。
10. センサを形成する方法であって、
    ゲートを有する電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を備えている検知回路を形成すること、ここで、前記ゲートの頂部表面上の部分が２次元（２Ｄ）検知面を備えている、
    前記２Ｄ検知面上に、３次元（３Ｄ）検知面構造を有するプローブ構造を形成すること、ここで、前記３次元（３Ｄ）検知面は、前記２次元（２Ｄ）検知面の一部が露出されるように、該２次元（２Ｄ）検知面上に配置される、
    前記プローブ構造を前記検知回路に通信連結すること、
    認識素子を有するコーティングを含む前記３Ｄ検知面構造を構成すること、及び
    さらに、少なくとも部分的に所定の素材と相互作用する前記３Ｄ検知面構造に基づいて第１の測定値を生成するように前記３Ｄ検知面構造を構成すること
    を含む、前記方法。
11. 前記第１の測定値が、電圧を含み、
    前記ＦＥＴが、前記ＦＥＴのゲートにおける前記電圧を受け取るように構成され、
    前記検知回路出力が、前記ＦＥＴのソースから前記ＦＥＴのドレインへの電流の流れを含む、
    請求項１０に記載の方法。
12. 前記プローブの構造が、複数のプローブを有するアレイであり、
    前記複数のプローブの３次元（３Ｄ）検知面が、異なる認識素子でコーティングされており、露出された前記２次元（２Ｄ）検知面が、前記異なる認識素子のうちの一方と異なるコーティングをされていてよい、請求項１０又は１１に記載の方法。
13. 請求項１～９のいずれか１項に記載のセンサを使用する方法であって、
    サンプルにアクセスすること、
    前記サンプルをセンサに露出させること
    を含み、
    少なくとも部分的に前記サンプル内の所定の素材と接触する前記３Ｄ検知面構造に基づいて、前記３Ｄ検知面構造を使用して第１の測定値を生成し、
    前記第１の測定値に基づいて、前記検知回路を使用して前記所定の素材の所定の特性に比例する検知回路出力を生成する、
    前記方法。
14. 前記サンプルを前記センサに露出させることが、前記プローブに、前記サンプル内の生体細胞の壁を貫通させ、前記生体細胞内の液体と接触させることを含む、請求項１３に記載の方法。

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