JP7254366B2 - ナノポア装置およびその製造方法 - Google Patents

Description

［０００１］本開示は、概して、バイオポリマー分子を特徴付けるためのシステム、デバイス、およびプロセス、ならびにそのようなシステムやデバイスを製造する方法に関する。

［０００２］核酸（ＤＮＡ、ＲＮＡなど）配列は、分子レベルで遺伝的変異を特定するための最も有力な方法の１つである。遺伝病の多くの特徴は、ゲノムワイド一塩基多型（「ＳＮＰ」）分析、遺伝子融合、ゲノムの挿入と削除などを通じて収集された情報によって診断することができる。これらの技術や他の分子生物学技術は、ある時点で核酸配列決定を必要とする。単一分子レベルで核酸を配列決定する現在の技術には、ナノポア配列決定技術があり、これはラベル不要および増幅不要の技術特性があり、読み取り長も改善され、システムスループットも改善される。したがって、ナノポア配列決定技術は、高品位の遺伝子配列決定用途に組み込まれている。

［０００３］ナノポアベースのＤＮＡ配列決定の初期の実験システムは、α－ヘモリシン（αＨＬ）タンパク質ナノポアを通過するｓｓＤＮＡの電気的挙動を検出した。それ以来、ナノポアベースの核酸配列決定技術が改善された。例えば、以下に説明するように、固体ナノポアベースの核酸配列決定は、生物学的／タンパク質ベースのナノポアを固体（例えば、半導体、金属ゲート）ナノポアで置換する。

［０００４］ナノポアは、イオン電流および／またはトンネル電流の変化によってホールを通る電子の流れを検出できる小さなホール（たとえば、直径が約１ｎｍから約１０００ｎｍのホール）である。核酸の各ヌクレオチド（たとえば、アデニン、シトシン、グアニン、ＤＮＡのチミン、ＲＮＡのウラシル）は、ナノポアを物理的に通過するときに、ナノポア全体の電流密度に特定の方法で影響を与え、移動中にナノポアを通る電流の変化を測定すると、ナノポアを通過する核酸分子を直接シーケンシングするのに使用できるデータが得られる。このように、ナノポアテクノロジーは電気的検知に基づくものであり、他の従来の配列決定方法に必要なものよりもはるかに小さい濃度と容量で核酸分子を検出できる。ナノポアベースの核酸配列決定の利点には、読み取り長の長さ、プラグアンドプレイ機能、およびスケーラビリティが含まれる。しかしながら、現在の生物学的ナノポアベースの核酸配列決定技術は、固定されたナノポア開口部（例えば、約２ｎｍの直径を有する）を必要とし、感度が不十分で（すなわち、許容できない量の偽陰性）、製造に値するのが困難となるほど製造が高コストであり、温度と濃度（ｐＨなど）に強く左右される。

［０００５］半導体製造技術の進歩に伴い、固体ナノポアは、優れた機械的、化学的、熱的特性、および他のセンシング回路やナノデバイスとの統合を可能にする半導体技術との互換性により、生物学的ナノポアに代わる安価で優れた代替品となった。しかしながら、現在のナノポアＤＮＡ配列決定技術（生物学的および／または固体ナノポアを含む）は、感度の低さや高製造コストなど、様々な制限に悩まされ続けている。図１は、最先端の固体ベースの二次元（「２Ｄ」）ナノポア配列決定デバイス１００を概略的に示す。デバイス１００は「二次元」とあるが、このデバイス１００は、Ｚ軸に沿っていくらかの厚さを有する。

［０００６］ナノポアＤＮＡ配列決定技術の制限の多くは、ナノポアデバイスの本質的な性質と、単一のヌクレオチドの移動速度の速さとサイズの小ささ（たとえば、高さが約０．３４ｎｍ、直径が約１ｎｍ）を克服する必要がある技術に起因する。従来の電子機器（たとえば、ナノ電極）では、従来のナノポアベースのＤＮＡ配列決定技術を使用して、このような高速で移動する小さなヌクレオチドを解析できない。また、製造コストが高いため、ナノポアベースのＤＮＡ配列決定の幅広い用途の足かせとなる。

［０００７］多くの異なる種類の生物学的、固体および（生物学的および固体の）ハイブリッドナノポアおよびナノポアセンサの使用を含む、これらの欠点を克服するために多くの努力がなされてきた。しかし、これらの取り組みはどれも大量生産に成功していない。

［０００８］現在利用可能な構成の欠点に対処する、ナノポアベースの配列決定システムおよびデバイスが求められている。特に、許容可能な感度と製造コストを備えたナノポアベースの配列決定システムとデバイスが求められている。

［０００９］本明細書に記載される実施形態は、ナノポアベースの配列決定システムおよびその製造方法を対象とする。特に、実施形態は、３Ｄナノポアベースの配列決定システムおよびその製造方法に関する。

［００１０］一実施形態において、バイオポリマー分子を特徴付けるための３Ｄナノポアデバイスは、第１の選択軸を有する第１の選択層を有する。このデバイスはまた、第１の選択層に隣接して配置され、第１の選択軸に直交する第２の選択軸を有する第２の選択層を有する。デバイスはさらに、第２の選択層に隣接して配置された第３の電極層を含み、第１の選択層、第２の選択層、および第３の電極層は、Ｚ軸に沿って層のスタックを形成し、複数のナノポアピラーを規定する。

［００１１］１以上の実施形態において、第１の選択層は、第１の複数の抑制電極を含む。第２の選択層は、第２の複数の抑制電極を含み得る。第１および第２の複数の抑制電極は、その中に複数のナノポアピラーを部分的に規定するアレイを形成してもよい。第３の電極層は、電気バイアスを変調し、電流変調を検出するように構成された電極を含み得る。デバイスはまた、第３の電極層に隣接して配置された１以上の電極層を含み得る。

［００１２］１以上の実施形態において、デバイスはまた、第１の選択層に隣接して配置された上部チャンバを備える。デバイスはさらに、下部電極層に隣接して配置された下部チャンバを備え、デバイスに多電極が存在する場合に複数のナノポアピラーが上部および下部チャンバを流体的に結合し、転位チャネルを提供する。デバイスはまた、上部および下部チャンバ内にあって、第１の選択層、第２の選択層、および第３の電極層を取り囲む電解液を含み得る。この電解液は、ＫＣｌまたはＬｉＣｌ_２を含み得る。

［００１３］１以上の実施形態において、第３の電極層は、金属速度制御電極を含む。第３の電極層は、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ－Ｃｒ、Ｔｉ、グラフェン、またはＡｌ－Ｃｕなどの金属を含み得る。第３の電極は、高度にドープされた（ｎ＋またはｐ＋タイプの）ポリシリコンまたはサリサイドポリシリコンを含み得る。第３の電極層は、０．２ｎｍ～１０００ｎｍの厚さを有し得る。第３の電極層は、感知電極を含むことができる。この感知電極は、イオン封鎖、トンネリング、静電容量感知、圧電、またはマイクロ波感知によって動作し得る。

［００１４］１以上の実施形態において、デバイスはまた、複数のナノポアの内径を変更するように構成された内膜層を含む。内膜層は、Ｓｉ_３Ｎ_４などの低応力のシリコンリッチ窒化物を含むことができ、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、ＺｎＯ、またはＨｆ０_２などの誘電体でコーティングされている。内膜層は、約１０ｎｍ～約５０ｎｍの厚さを有することができる。複数のナノポアのそれぞれは、約０．２ｎｍ～約１０００ｎｍのそれぞれの直径を有し得る。デバイスはまた、上部膜層を備えることができる。この上部膜層には、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２、２Ｄ誘電体（例えば、ＭｏＳ２またはｈＢＮ）、および高分子膜（例えば、ポリイミドおよびＰＤＭＳ）が含まれる。上部膜層は、約５ｎｍ～約５０ｎｍの厚さを有し得る。

［００１５］別の実施形態では、３Ｄナノポアデバイスの製造方法は、第１のＳｉ基板または第１の誘電体ベース層上に、第１のＳｉ_３Ｎ_４層を堆積させるステップを含む。この方法は、第１のＳｉ_３Ｎ_４層上に第１の誘電体層を堆積させるステップを含む。この方法はまた、第１の誘電体層上に第１の金属またはポリシリコン層を堆積させるステップを含む。１以上の実施形態において、この方法は、第１の金属またはポリシリコン電極層をエッチングしてパターン化するステップも含む。この方法はまた、パターン化された第１の金属またはポリシリコン電極層上に第２の誘電体層を堆積させるステップを含む。

［００１６］この方法はまた、第１の金属またはポリシリコン電極層上に第２の金属またはポリシリコン層を堆積させるステップを含む。この方法は、第２の誘電体層上に第２のＳｉ_３Ｎ_４層を堆積させるステップをさらに含む。１以上の実施形態において、この方法はまた、第２の金属またはポリシリコン電極層をエッチングしてパターン化するステップを含む。この方法は、金属またはポリシリコン電極層の複数の層を堆積およびパターン化するステップをさらに含む。

［００１７］この方法は、裏側から第１のＳｉまたは誘電体基板ベース層をエッチングして、裏側からチャネルを作成するステップを含む。

［００１８］この方法は、Ｓｉ_３Ｎ_４層、誘電体層、および金属またはポリシリコン層の複数のスタック上の表面からナノポアチャネルをパターン形成して、そこを通るナノポアを形成するステップを含む。この方法は、各金属またはポリシリコン電極をすべてのチャネルに配置し、金属またはポリシリコン電極層を電気的に結合するステップも含むことができる。

［００１９］１つ以上の実施形態において、方法はまた、第２のチャネルを底部Ｓｉ_３Ｎ_４層にエッチングするステップを含み、ここで第１および第２のチャネルは互いに直交する。この方法はまた、第２の抑制電極を第２のチャネルに配置するステップと、この第２の抑制電極を底部Ｓｉ_３Ｎ_４層に電気的に結合するステップとを含むことができる。この方法はまた、第２の金属層上に第３の誘電体ベース層を堆積するステップと、第３の誘電体ベース層をエッチングしてそれを貫通するナノポアを形成するステップとを含み得る。この方法はまた、第３の誘電体層をエッチングするステップと、第３の電極を第３の誘電体層に電気的に結合するステップとを含み得る。この方法はまた、基板をエッチングするステップと、下部チャンバを複数のナノポアピラーに流体的に結合するステップとを含み得る。

［００２０］１以上の実施形態において、方法はまた、第１の誘電体ベース層と、第１のＳｉ_３Ｎ_４層と、第１の金属とを上部および下部チャンバ間の中間チャンバに堆積させるステップを含み、ここで上部チャンバ、中間チャンバおよび下部チャンバは電解液を含み、上部チャンバと下部チャンバがナノポアによって流体的に結合されている。第１のＳｉ_３Ｎ_４層、第１の金属層、および誘電体コーティング層の堆積は、ＡＬＤまたはＣＶＤを利用することができる。ナノポアを形成するために第１の誘電体ベース層、第１のＳｉ_３Ｎ_４層、および第１の金属層をエッチングするステップは、高アスペクト比のエッチングを利用することができる。

［００２１］さらに別の実施形態において、荷電粒子を検出する方法は、上部チャンバ、中間チャンバ、および下部チャンバを有する３Ｄナノポアデバイスと、上部チャンバおよび下部チャンバが３Ｄナノポアアレイの複数のナノポアによって流体的に結合されるように中間チャンバに配置された３Ｄナノポアアレイとを使用する。この方法は、荷電粒子を含む電解液を上部、中間、および下部チャンバに加えるステップを含む。この方法はまた、上部および下部電極をそれぞれ上部および下部チャンバに配置するステップを含む。この方法は、上部電極と下部電極との間に電気泳動バイアスを加えるステップをさらに含む。さらに、この方法は、第１および第２の選択バイアスを３Ｄナノポアデバイスの第１および第２の選択電極に印加して、複数のナノポアのうち荷電粒子が誘導される１以上のナノポアを選択するステップを含む。さらに、この方法は、３Ｄナノポアデバイスの速度制御電極に速度制御バイアスを適用して、１以上のナノポアを通る荷電粒子の移動速度を調節するステップを含む。この方法はまた、３Ｄナノポアデバイス内の感知電極に感知バイアスを印加するステップを含む。この方法はさらに、感知電極における電流の変化を検出するステップを含む。

［００２２］１以上の実施形態において、電流は、電極電流またはトンネル電流である。

［００２３］さらに別の実施形態において、３Ｄナノポアチャネルピラーアレイと、複数の電極と、上部チャンバと、下部チャンバとを備えるセンサを製造する方法は、生体分子およびＤＮＡを含む電解液中に３Ｄナノポアチャネルピラーアレイを配置するステップを含む。この方法はまた、電解質中に電極を配置するステップを含む。この方法はさらに、電解質内の電極にバイアスを印加するステップを含む。さらに、この方法は、３Ｄナノポアチャネルピラーアレイの上にナノポアピラーを囲む交差パターンの列と行の抑制電極を配置するステップを含む。さらに、この方法は、３Ｄナノポアチャネルピラーアレイ内のナノポアピラーを取り囲む金属平面電極を配置するステップを含み、これらの金属平面電極は、速度制御電極と感知電極とを含む。この方法はまた、速度制御電極に速度制御バイアスを加えるステップを含む。この方法は、感知電極に感知バイアスを印加するステップをさらに含む。さらに、この方法は、電解液中の電極電流の変化を検出するステップを含む。さらに、この方法は、電極内のトンネル電流の変化を検出するステップを含む。

［００２４］１以上の実施形態において、速度制御電極は、約２ｎｍ～約１０００ｎｍの範囲の厚さを有する。速度制御電極は、Ｔａ、Ｃｒ、Ａｌ、Ａｕ－Ｃｒ、グラフェン、またはＡｌ－Ｃｕを含み得る。高度にドープされた（ｎまたはｐタイプ）ポリシリコンまたはサリサイドポリシリコンを含んでもよい。３Ｄナノポアチャネルピラーアレイは、３Ｄナノポアチャネルピラーアレイをハイブリッドとすべく、速度制御電極を有する生物学的層を含むことができる。上部チャンバおよび下部チャンバは、電解液の少なくとも一部を含み得る。電解液は、ＫＣｌおよびＬｉＣｌ_２を含み得る。上部チャンバと下部チャンバの電極は、Ａｇ／ＡｇＣｌ_２を含み得る。交差パターン化された列と行の抑制電極は、抑制バイアスを印加することによって列と行を選択および選択解除することにより、垂直方向のイオン電流の流れを停止するアレイ動作を実現することができる。感知電極は、イオン遮断感知、トンネル感知、容量感知、圧電感知、および／または波感知を利用することができる。

［００２５］１以上の実施形態において、３Ｄナノポアチャネルピラーアレイは、複数の誘電体電極を誘電体電極スタック内に備える。この誘電体電極スタックには、膜層、ナノポアチャネル開口幅を変更する誘電層、ナノポアチャネルピラーのアレイ、速度制御誘電体電極層のスタック、感知誘電体電極層のスタック、およびソース選択誘電体電極層が含まれる。膜層は、誘電体材料を含み、約１０ｎｍ～約５０ｎｍの厚さを有し得る。誘電体材料は、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、またはＳｉＯ_２であり得る。この膜層は、ナノポアチャネル開口幅を変更することができる。ナノポアチャネル開口幅は、標準的な光リソグラフィおよびイオンビーム（例えば、ＦＩＢ、ＴＥＭ）技術によりパターン化された約２ｎｍ～約１００ｎｍであり得る。

［００２６］１以上の実施形態において、３Ｄナノポアチャネルピラーアレイは、誘電体層のＡＬＤおよび／またはＣＶＤ堆積、高アスペクト比の反応性イオンエッチングディープトレンチ加工（ナノポアチャネル開口エッチング）、トリミング誘電体層のＡＬＤおよび／またはＣＶＤ堆積、および／または膜誘電体層のＡＬＤおよび／またはＣＶＤ堆積を用いて製造される。

［００２７］１以上の実施形態において、誘電体電極スタックは、底部誘電体層も含む。この底部誘電体層は、約１００ｎｍ～１０００ｎｍの厚さを有し得る。底部誘電体層は、基板結合低レベルノイズを低減するために、ＳｉＯ_２、ガラス、またはＳＯＩを含み得る。誘電体電極スタックはまた、上部誘電体層を含み得る。上部誘電体層は、約５ｎｍ～約５０ｎｍの厚さを有し得る。上部誘電体層は、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、またはＡｌ_２Ｏ_３を含み得る。上部誘電体層が、最終的なナノポアチャネル開口幅を決定し得る。

［００２８］１以上の実施形態において、方法はまた、高アスペクト比のエッチングを使用してナノポアチャネルピラーを形成して、ナノポアチャネルピラーのトレンチプロファイルに鋭い形状を与えるステップを含む。この高アスペクト比のエッチングは、アスペクト比が５より大きくあり得る。

［００２９］１以上の実施形態において、３Ｄナノポアチャネルピラーアレイは、高密度で低コストのナノポアチャネルを使用した多重配列決定アプリケーションを容易にする。求められる配列決定アプリケーションに応じて３Ｄナノポアアレイの多数の電極を選択することにより、制御されたバイアスによって転位速度を制御する飛行時間型（「ＴＯＦ」）技術を提供することができる。転位速度を制御すると、ＤＮＡ分子の読み取りが向上し、センサの感度が向上する。

［００３０］１以上の実施形態において、３ＤナノポアチャネルピラーアレイはＣＭＯＳフローに統合され、それにより、ＣＭＯＳ技術のための埋め込み型バイオセンサソリューションが容易になる。このＣＭＯＳフローは、電気化学反応用の二次元ウェルを含み得る。ＣＭＯＳフローは、イオン感応性の電界効果トランジスタ技術を含み得る。

［００３１］１以上の実施形態において、３Ｄナノポアチャネルピラーアレイは、３Ｄ構成の生物学的要素および固体要素を含むハイブリッドタイプのナノポア技術を組み込んでいる。この３Ｄナノポアチャネルピラーアレイは、電気化学反応や配列決定反応を強化するために、マルチ電極システムを有する拡大された個別のナノポアウェルで電気化学反応、熱反応、または電気光学反応を促進する。３Ｄナノポアチャネルピラーアレイは、個々のナノポアチャネルピラーがアドレス指定可能であるマルチアレイ構成を使用して、複合的配列決定を促進し得る。３Ｄナノポアチャネルピラーアレイは、ナノポアチャネルピラー内の標準ｑＰＣＲを促進する。３Ｄナノポアチャネルピラーアレイは、プローブを介したターゲットシーケンシングを促進する。３Ｄナノポアチャネルピラーアレイは、異なるアプリケーション用にナノポアチャネル開口幅の調整を容易にする。

［００３２］１以上の実施形態において、ナノポアチャネル開口幅は、約１ｎｍ～約１００ｎｍまで調整可能である。ナノポアチャネル開口幅は、製造中に電子的に調整可能であり得る。

［００３３］１以上の実施形態において、方法はまた、センサの安定性を高めるためにハイブリッドナノポアチャネルを形成するステップを含む。ハイブリッドナノポアを形成するステップは、半合成膜ポリンを構築するために安定した生物学的要素を挿入するステップを含み得る。安定した生物学的要素は、αＨＬ分子であり得る。このαＨＬ分子は、ＳｉＮベースの３Ｄナノポアに挿入することができる。

［００３４］１以上の実施形態において、方法は、上部抑制電極を使用して、安定な生物学的要素に構造を導入して、安定な生物学的要素とハイブリッドナノポアの整列を確実にするステップも含む。

［００３５］本開示の上記および他の実施形態は、以下の詳細な説明に記載されている。

［００３６］上記実施形態および他の実施形態が、添付の図面を参照してさらに詳細に説明され、ここで異なる図の同じ構成要素は、共通の参照番号によって参照される。
［００３７］図１は、従来技術の固体２Ｄナノポアデバイスを概略的に示す。 ［００３８］図２Ａ～２Ｄは、一実施形態による３Ｄナノポアデバイスを、それぞれ概略的に示す斜視図、上面図、正面図、および右側面図である。 ［００３９］図３は、一実施形態による３Ｄナノポアデバイスを概略的に示し、その動作の詳細をいくつか含む。 ［００４０］図４は、図３に示すナノポアデバイスの電圧動作をまとめた表である。 ［００４１］図５は、中にいくつかの電極を備える一実施形態による３Ｄナノポアデバイスを概略的に示す図である。 ［００４２］図６Ａ～６Ｅは、一実施形態による３Ｄナノポアデバイスを製造する方法を示す。 ［００４３］図７Ａ～７Ｅは、別の実施形態による３Ｄナノポアデバイスを製造する方法を示す。［００４４］様々な実施形態の上記および他の利点および目的を獲得する方法をよりよく理解するために、実施形態のより詳細な説明が、添付の図面を参照して提供される。図面は一定の縮尺で描かれておらず、同様の構造または機能の構成要素は全体を通して同様の参照番号によって表されていることに留意されたい。これらの図面は、特定の例示された実施形態のみを示しており、したがって、実施形態の範囲を限定するものと見なされるべきではないことを理解されたい。

例示的なナノポアデバイス
［００４５］上述のように、現在の最先端のナノポアデバイスは、少なくとも感度と製造コストの点で制限がある。本書記載のナノポアデバイスの実施形態は、とりわけ、現在のナノポアデバイスのこれらの制限に対処するものである。

［００４６］図２Ａ～２Ｄは、一実施形態に係る、三次元（「３Ｄ」）アレイアーキテクチャを有する固体ナノポア技術を組み込んだナノポアデバイス２００の様々な概略図である。図２Ａに示すように、デバイス２００は、Ｚ軸２０４に沿って積み重ねられた複数の２Ｄアレイまたは層２０２Ａ～２０２Ｅを備える。２Ｄアレイ２０２Ａ～２０２Ｅは「二次元」として参照されるが、各２Ｄアレイ２０２Ａ～２０２ＥはＺ軸に沿っていくらかの厚さを有する。図２Ｂは、図２Ａに示す頂部２Ｄアレイ２０２Ａの上面図を示す。図２Ｃおよび２Ｄは、図２Ａに示すナノポアデバイス２００の正面図および右側面図を概略的に示す。

［００４７］頂部２Ｄアレイ２０２Ａは、第１および第２の選択層２０６、２０８に形成されたナノポア２１０（ピラー）を通して荷電粒子（例えば、バイオポリマー）の移動を導くように構成された第１および第２の選択（抑制電極）層２０６、２０８を備える。第１の選択層２０６は、２Ｄアレイ２０２Ａ内の複数の行（Ｒ１～Ｒ３）から選択するように構成される。第２の選択層２０８は、２Ｄアレイ２０２Ａ内の複数の列（Ｃ１～Ｃ３）から選択するように構成される。一実施形態では、第１および第２の選択層２０６、２０８は、選択された行と列に隣接する、および／または、選択されなかった行と列に隣接する電荷を変更することにより、行と列からそれぞれ選択を行う。他の２Ｄアレイ２０２Ｂ～２０２Ｅは、速度制御／電流感知電極を含む。速度制御電極は、Ａｕ－Ｃｒ、ＴｉＮ、ＴａＮ、Ｐｔ、Ｃｒ、グラフェン、Ａｌ－Ｃｕなどの導電性の高い金属で作成することができる。速度制御電極は、約２～約１０００ｎｍの厚さを有し得る。速度制御電極はまた、ハイブリッドナノポア内の生物学的層に作製されてもよい。

［００４８］ハイブリッドナノポアは、ナノポアの安定性を高めるための半合成膜ポーリンを形成する固体要素を備えた安定した生物学的／生化学的要素を備える。例えば、生物学的要素はαＨＬ分子であり得る。αＨＬ分子は、ＳｉＮベースの３Ｄナノポアに挿入することができる。電極（例えば、頂部２Ｄアレイ２０２Ａ内）にバイアスを印加することにより、αＨＬ分子を誘導して、αＨＬ分子をＳｉＮベースの３Ｄナノポアと確実に整列させる構造とすることができる。

［００４９］ナノポアデバイス２００は、平面構造を有する従来のナノポアデバイスの表面積よりもはるかに大きな電荷検出のための表面積を提供する３Ｄ垂直ピラースタックアレイ構造を有する。荷電粒子（例えば、バイオポリマー）がデバイス内の各２Ｄアレイ２０２Ａ～２０２Ｅを通過すると、その電荷が、いくつかの２Ｄアレイ２０２Ｂ～２０２Ｅ内の検出器（例えば、電極）で検出することができる。したがって、デバイス２００の３Ｄアレイ構造は、より高い感度を実現し、これが低信号検出器／電極を補償することができる。さらに、高度に集積されたスモールフォームファクター３Ｄ構造は、高密度のナノポアアレイを提供しつつ、製造コストが最小限に抑えられる。

［００５０］運用時、ナノポアデバイス２００は、上部および下部チャンバがナノポアピラー２１０によって流体的に結合されるように、上部および下部チャンバを隔てる中間チャンバに配置される（図示せず）。上部、中央、下部のチャンバは、検出対象の荷電粒子（ＤＮＡなど）を含む電解液（Ａｇ、ＡｇＣｌ_２など）が含まれている。異なる荷電粒子の検出に、異なる電解液を使用することができる。

［００５１］ナノポアデバイス２００の頂部２Ｄアレイ２０２Ａに隣接する上部チャンバ（図示せず）およびナノポアデバイス２００の底部２Ｄアレイ２０２Ｅに隣接する下部チャンバ（図示せず）に配置された電極にバイアスを印加することにより、電気泳動による荷電粒子の転位を生じさせることができる。いくつかの実施形態では、ナノポアデバイス２００は、上部および下部チャンバがナノポアデバイス２００内のナノポアピラー２１０によって流体的かつ電気的に結合されるように、中間チャンバに配置される（図示せず）。上部、中央、および下部のチャンバは、電解液を含むことができる。

［００５２］図３は、別の実施形態によるナノポアデバイス３００を概略的に示す。図３は、３Ｄナノポア３１０およびナノ電極スキームを示す断面（ｘ－ｚ平面）図における頂部２Ｄアレイ３０２を描写する。各ナノポア３１０は、ナノ電極３１２によって囲まれており、ナノポア３１０のチャネルが、ナノ電極３１２を用いて生成されたバイアス電場状況下で動作できるようになっている。交差パターン化されたナノギャップのナノ電極３１２ＣＳ～３１２Ｃｎ、３１２ＲＳ～３１２Ｒｎは、ナノポアデバイス３００の頂部に２層で配置されている。これらのナノ電極３１２ＣＳ～３１２Ｃｎ、３１２ＲＳ～３１２Ｒｎは、それぞれナノポアアレイ用の列と行の抑制性ナノ電極３１２ＣＳ～３１２Ｃｎ、３１２ＲＳ～３１２Ｒｎである。頂部２Ｄアレイ３０２（ｘ?ｙ平面図）に示されるような交差パターン化されたナノ電極３１２ＣＳ～３１２Ｃｎ、３１２ＲＳ～３１２Ｒｎは、金属リソグラフィステップで形成／パターン化することができる。３Ｄスタック内の残りの２Ｄアレイのナノ電極３１２は、金属を平面堆積することによって形成できる。ナノポア３１０のホールピラーは、金属ナノ電極３１２ＣＳ～３１２Ｃｎ、３１２ＲＳ～３１２Ｒｎに囲まれており、したがって複数の積層されたナノ電極３１２に印加される電気バイアスの完全な影響下で動作することができる。

［００５３］一実施形態によれば、抑制性電気バイアス（０Ｖ－ＶＣＣ）を印加して、頂部２Ｄアレイ３０２のナノギャップナノ電極３１２ＣＳ～３１２Ｃｎ、３１２ＲＳ～３１２Ｒｎを選択すると、頂部２Ｄナノポアアレイ３０２の１以上のナノポア３０２を通って生体分子の移動（電気泳動など）が抑制され、ナノポアアレイの動作が制御される。ナノ電極３１２ＣＳ～３１２Ｃｎ、３１２ＲＳ～３１２Ｒｎに印加された電気バイアスは、上部チャンバ（図示せず）から下部チャンバ（図示せず）への荷電粒子（例えば、核酸）の、ナノ電極３１２ＣＳ～３１２Ｃｎ、３１２ＲＳ～３１２Ｒｎに直交する方向へのイオン移動を抑制するのに十分な電界を生成することができる。ナノ電極３１２を介したイオン移動の抑制は実質的に完全であってもよいし、電気バイアスを調整してイオン移動速度を低下させるだけも可能である。一実施形態では、１以上のナノポア３１０を選択した後（例えば、ＤＮＡ生体分子の移動および配列決定のため）、３Ｄナノポアナノ電極３１２のスタックにおける電気バイアスを変化させて、生体分子の移動速度を制御することができる。一実施形態において、抑制電気バイアスは、垂直方向のイオン電流の流れを低減／停止し、それにより、ナノギャップナノ電極３１２ＣＳ～３１２Ｃｎ、３１２ＲＳ～３１２Ｒｎで規定される様々な列と行が選択および／または選択解除される。同時に、ナノ電極３１２は、３Ｄ垂直ナノポア３１０ピラーを通る荷電粒子（例えば、ＤＮＡ生体分子）の通過によって生じる電流変化を検出することができる。いくつかの実施形態では、ナノ電極３１２は、イオン遮断、トンネリング、容量感知、圧電、およびマイクロ波感知を含む、様々な原理を用いて電流変化を検出することができる。

［００５４］図４は、図３に示すナノポアデバイス３００の電圧動作を示す表４００である。図４に示されるように、ナノポアデバイス３００は、様々な電極３１２に印加される電圧を変調することにより、転位モードおよび読み取り（感知）モードの両方で運用することができる。

［００５５］図５は、一実施形態による、ナノポアデバイス内の単一の３Ｄナノポアセンサ５２０を概略的に示す。センサ５２０は、列の抑制電極層５２２、行の抑制電極層５２４、および複数の速度制御／感知電極層５２６、５２８、５３０を有する。これらの層は、互いの上に積み重ねられ、絶縁体層５３２（例えば、ＳｉＯ_２）によって分離されて、垂直のナノポア５１０ホールピラーを規定する。各層は、ポリシリコンまたは金属（たとえば、Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ａｕ－Ｃｒ、Ｎｉ、グラフェンなど）の頂部サブレイヤおよび他の様々なサブレイヤ（たとえば、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｓｉ_３Ｎ_４、ｎ^＋、またはｐ^＋ポリシリコンなど）を有してもよい。３Ｄナノポアセンサ５２０は、イオン遮断、トンネリング、容量性感知、圧電、およびマイクロ波感知を含む、様々な原理で作動することができる。速度制御／感知電極層５２６、５２８、５３０は、それぞれの電極層５２６、５２８、５３０に速度制御または感知バイアスを印加することによって作動させることができる。感知電極層５２６、５２８、５３０は、電気的特性（例えば、電極電流および／またはトンネル電流）の変化を検出することができる。

［００５６］３Ｄナノポアデバイス２００、３００の２Ｄアレイ２０２、３０２は水平に配置する代わりに垂直に積み重ねることができるため、３Ｄナノポアデバイス（２００、３００など）は、フォームファクタのオーバーヘッドを最小限に抑えながら、アレイ内で直接またはターゲットシー配列決定が可能となり、これにより高密度アプリケーションが実現する。さらに、３Ｄナノポアデバイス（例えば、２００、３００）は、１，０００個を超えるナノポア２１０、３１０個のピラーを有する中規模から大規模の３Ｄナノポアデバイスに拡張可能である。その結果、より多くの配列決定センサを同じフォームファクタに収容することができる。３Ｄナノポアデバイス（２００、３００など）はまた、生物学的ナノポアまたはハイブリッドナノポア技術を組み込んで、ユーザのニーズに対応するためのより柔軟なアーキテクチャを提供することができる。

［００５７］３Ｄナノポアデバイス（例えば、３００）では、各ナノポア３１０のピラーは、複数のナノポア３１０を規定するナノ電極３１２のスタックから構成される。したがって、各ナノポア３１０の列内のセンサの有効表面積は、単一のセンサの表面積よりも数桁大きくなり得る。一実施形態では、センサ有効表面積は、単一のセンサの表面積よりも２～３桁大きくなり得る。センサ有効表面積の増大により、製造コストを最小限に抑えつつ、センサのＳ／Ｎ比と感度を大幅に改善することができる。

例示的なナノポアデバイス製造方法
［００５８］３Ｄナノポアデバイス（２００、３００など）は、様々な方法で製造することができる。一実施形態では、３Ｄナノポアデバイス２００、３００を製造するのに半導体技術（例えば、以下で説明するＣＭＯＳプロセス）が用いられる。ＣＭＯＳプロセスでは、大きなナノポアアレイを使用してナノポア３１０の幅を調整することもできる。一実施形態では、ナノポア３１０の幅は、ルックアップテーブルを有するソフトウェアを使用して製造中に制御することができ、これにより大量生産の製造が可能になる。ＣＭＯＳプロセスを用いると、バイオセンサソリューションをＣＭＯＳテクノロジーに組み込むことができる。様々な実施形態では、ＣＭＯＳプロセスは、電気化学反応および／またはイオン感応性電界効果トランジスタ技術のための二次元ウェルを含む。マイクロ流体チャネルを、３Ｄナノポアデバイス２００、３００に（例えば、ダイ内に）統合することができ、これによりデバイス２００、３００のコストが低減する。

［００５９］図６Ａ～６Ｅは、一実施形態に係る、ナノポアデバイスを製造する方法６００を示す。図６Ａに示すように、（たとえば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などの）第１の誘電体ベース層６０２Ａ、Ｓｉ_３Ｎ_４の第１のベース層６０４Ａ、および第１の金属（例えば、Ａｕ－Ｃｒ、Ａｌ、グラフェンなど）またはポリシリコン層６０６Ａが、互いの上に堆積される。次に、誘電体ベース、ベース、および金属の第２および第３の層６０２Ｂ、６０４Ｂ、６０６Ｂ、６０２Ｃ、６０４Ｃ、６０６Ｃが、互いおよび前の層の上に堆積される。例えば、これらの堆積ステップは、ベース誘電体層６０２、トリミング誘電体層、および／または膜誘電体層の化学蒸着（「ＣＶＤ」）および／または原子層堆積（「ＡＬＤ」）を使用して実行することができる（以下の図６Ｃを参照）。第１の誘電体ベース層６０２Ａは、基板結合低レベルノイズを低減するために、約１００ｎｍ～１０００ｎｍの厚さを有し得る。

［００６０］図６Ｂに示されるように、次いで、ナノポア６１０が、堆積された層にエッチングされる（例えば、（５より大きい）高アスペクト比のナノポアホールトレンチエッチングプロセスを用いる）。高アスペクト比のエッチングは、ナノポア６１０のチャネルピラーのトレンチプロファイルに鋭い形状を提供することができる。ナノポアピラー合計深さは、用途によって数百ナノメートル～数ミクロンであり得る。

［００６１］次に、図６Ｃに示すように、誘電体コーティング６１２（例えば、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ａｌ_２Ｏ_３、ＳｉＯ_２など）の薄層が、（例えば、原子層堆積「ＡＬＤ」によって）ナノポア６１０の内面に堆積され、ナノポア６１０の幅が決定される。誘電体コーティング６１２は、厚さを変えることができる（例えば、約１０ｎｍ～約５０ｎｍまで）。（例えば、ＡＬＤを用いて）ナノポア６１０の内面に堆積される誘電体コーティング６１２の量を制御することにより、約２ｎｍ～約１００ｎｍの幅の目標とするナノポア６１０を達成することができる。したがって、ナノポア／トレンチ６１０の幅／直径を、様々な用途に適合するように誘電体コーティング６１２のＡＬＤを用いて制御することができる。頂部誘電体コーティング６１２は、約５ｎｍ～約２０ｎｍの厚さを有し得る。用途および必要なナノポア６１０の開口部寸法に応じて、様々なリソグラフィ技術（例えば、大量生産で使用されるもの）を使用して、ナノポア６１０の開口部をエッチングすることができる。さらに、ナノポア６１０チャネル深さは、本書に記載する製造方法を使用して、必要な感度と精度で簡単に選択することができる。

［００６２］図６Ｄに示すように、垂直ナノポアチャネルとスタック層がエッチングされ（スタック層の右側の「段」を参照）、水平（Ｘ軸）および垂直（Ｙ軸）ナノポアチャネルを形成して、頂部およびアドレッシング回路（例えば、行および列の抑制電極）の電極６１４にアクセスを提供する。ベースのＳｉ_３Ｎ_４（またはＡｌ_２Ｏ_３）層６０４Ａを選択的にウェットエッチングして、すべての水平電極に電気的にアクセスできるようにする。最後に、残りのスペースが金属で埋められる。

［００６３］図６Ｅは、バイオポリマー（ＤＮＡなど）の配列決定に用いられる、製造された３Ｄナノポアデバイスを示す。

［００６４］図７Ａ～７Ｅは、別の実施形態に係るナノポアデバイスの製造方法７００を示す。図６Ａ～６Ｅおよび７Ａ～７Ｅに示される方法６００、７００は類似しており、多くの同じ技術を共有している。

［００６５］図７Ａに示すように、まとめて７０２で示す多層の誘電体膜（ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＺｎＯ、Ｈｆ０_２など；１０ｎｍ～１００ｎｍ）の低応力窒化膜（Ｓｉ_３Ｎ_４）と金属（Ｔａ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ａｕ－Ｃｒ、グラフェンなど；数ｎｍ～数百ｎｍ）および金属間層（ＳｉＯ_２）を、ＣＶＤ（低圧／プラズマ強化）または原子層堆積（ＡＬＤ）を使用してＳｉまたは石英基板上に積層堆積する。次に、下部チャンバ開口部７０４（５×５～１００×１００μｍ^２）が、深反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）またはＫＯＨウェットエッチングによってエッチングされる。

［００６６］図７Ｂに示されるように、頂部金属層７０６が堆積される。次に、上部チャンバ開口部７０８が、反応性イオンエッチングによる高アスペクト比のナノポアホール深トレンチエッチングプロセスを使用して画定される。このプロセスは、数ｎｍ～約１００ｎｍまでのナノポアトレンチエッチング開口径を生成することができる。従来のツールの代わりに、コロイドマスク（ナノドット、量子ドット、酸化グラフェンの細孔など）を使用したリソグラフィ技術を用いてもよい。

［００６７］図７Ｃ、７Ｄに示されるように、誘電体の薄層７１０（例えば、フィルム）をＡＬＤで堆積して、ナノポア幅をトリミングして約２ｎｍ～約１０００ｎｍの目標とするナノポア幅（ＡＬＤを使用）を達成してもよい。ナノポアチャネルの幅は、可変のトレンチ幅を持つように制御することもでき、目標とする直径に合わせてナノポアの幅を変えることができる。

［００６８］図７Ｅは、バイオポリマー（ＤＮＡなど）の配列決定に用いられる、製造された３Ｄナノポアデバイスを示す。

［００６９］この３Ｄナノポアデバイスは、高密度で低コストのナノポアチャネルを使用した複合配列決定アプリケーションを実現することができる。所望の配列決定用途に応じて３Ｄナノポアデバイスの多数の電極を選択して、制御されたバイアスにより転位速度を制御する飛行時間（「ＴＯＦ」）技術を提供することができる。転位速度を制御すると、ＤＮＡ分子の読み取りが向上し、センサの感度が向上する。この３Ｄナノポアデバイスは、マルチ電極システムを備えた拡大され分離されたナノポアウェルで電気化学反応、熱反応、または電気光学反応を促進し、電気化学反応および／または配列決定反応を強化することもできる。この３Ｄナノポアデバイスはさらに、個々のナノポアチャネルピラーがアドレス可能であるマルチアレイ構成を使用して、複合的な配列決定をさらに促進し得る。さらに、この３Ｄナノポアデバイスは、ナノポアチャネルピラー内の標準的なｑＰＣＲや、プローブを介したターゲットシーケンシングをさらに促進する。さらに、３Ｄナノポアチャネルの開口幅は、様々なアプリケーションに合わせて調整することができる。一実施形態では、ナノポアチャネル開口幅は、約１ｎｍ～約１００ｎｍまで調整可能である。ナノポアチャネル開口幅は、製造中に電子的に調整可能であり得る。本明細書に記載の３Ｄナノポアデバイスは、ヌクレオチド、核酸、およびタンパク質などの生体分子を含むがこれらに限定されない様々な荷電粒子の検出（直接検出）に使用することができる。３Ｄナノポアデバイスは、ＤＮＡ配列決定およびタンパク質－ＤＮＡ相互作用の検出にも使用することができる。

［００７０］リソグラフィプロセス（例えば、スルーシリコンビア（「ＴＳＶ」）製造法）を用いて金属またはポリシリコンプレーンベースのナノポアアレイを製造すると、製造コストとライン抵抗が最小限に抑えられる（したがって、スケーリングに対するＩＲドロップとＲＣ遅延の制限が大幅に削減される）。

［００７１］以下の特許請求の範囲におけるすべての手段またはステップおよび機能要素の対応する構造、材料、行為および均等物は、特にクレームされた他のクレーム要素と組み合わせて機能を実行するためのあらゆる構造、材料、行為および均等物を含むことを意図している。本開示は、上記の実施形態に関連して説明されるが、前述の説明および特許請求の範囲は、本開示の範囲を限定するものではないことを理解されたい。本開示の範囲内の他の利点および修正は、本開示が関係する当業者には明らかであろう。

［００７２］本開示の様々な例示的な実施形態が本明細書で説明される。非限定的な意味でこれらの例を参照する。それらは、本開示のより広く適用可能な実施形態を例示するために提供される。本開示の真の意図および範囲から逸脱することなく、説明された実施形態に様々な変更を加えることができ、均等物を代用することができる。さらに、特定の状況、材料、物質の組成、プロセス、プロセス行為またはステップを本開示の目的、意図または範囲に適合させるために、多くの修正を行うことができる。さらに、当業者によって理解されるように、本明細書で説明および図示される個々のバリエーションはそれぞれ、本開示の範囲または精神を逸脱することなく、他のいくつかの実施形態の特徴から容易に分離または組み合わせることができる個別の構成要素および特徴を有する。このような変更はすべて、この開示に関連する請求項の範囲内であることが意図されている。

［００７３］主題の診断または介入処置を実行するための上記デバイスのいずれも、そのような介入を実行する際に使用するためにパッケージ化された組み合わせで提供されてもよい。これらの供給「キット」は、使用説明書をさらに含み、そのような目的で一般的に使用される無菌トレイまたは容器に包装されてもよい。

［００７４］本開示は、主題のデバイスを使用して実行され得る方法を含む。この方法は、そのような適切なデバイスを提供する行為を含み得る。この提供は、エンドユーザが実行してもよい。言い換えると、「提供する」行為は、エンドユーザが主題の方法で必要なデバイスを提供するために取得、アクセス、アプローチ、配置、セットアップ、起動、電源投入、またはその他の方法で動作させることのみを必要とする。本明細書に列挙された方法は、論理的に可能である列挙されたイベントを任意の順序で実行してもよいし、列挙されたイベントの順序で実行してもよい。

［００７５］本開示の例示的な実施形態が、材料の選択や製造に関する詳細とともに、上記で説明されている。本開示の他の詳細は、上記で参照された特許および刊行物に関連して理解され、ならびに当業者によって一般に知られているか評価される。同じことが、一般的または論理的に用いられる追加の動作に関して、本開示の方法ベースの実施形態に関しても事実であり得る。

［００７６］さらに、本開示について、様々な特徴を任意に組み込んだいくつかの例を参照して説明したが、本開示は、本開示の各バリエーションに関して企図されるように説明または図示されたものに限定されない。開示の真の意図および範囲から逸脱することなく、記載された実施形態に様々な変更を加えることができ、均等物（本明細書に記載されているか、ある程度簡潔にするために含まれていない）に置き換えることができる。さらに、値の範囲が提供される場合、その範囲の上限と下限との間に介在するあらゆる値と、その規定された範囲内の任意の他の規定されるか介在する値は、本開示内に含まれると理解される。

［００７７］また、記載された本発明の変形の任意の特徴は、独立して、または本明細書に記載された特徴のいずれか１以上と組み合わせて示され、クレームされ得ることが企図される。単一のアイテムへの言及には、同じアイテムが複数存在する場合が含まれる。より具体的には、本明細書および本明細書に関連する請求項で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、「ｓａｉｄ」、および「ｔｈｅ」は、特に明記しない限り、複数の指示対象を含む。言い換えれば、これらの用語の使用により、上記の説明および本開示に関連する請求項における主題の項目の「少なくとも１つ」が可能になる。さらに、請求項は、任意の要素を除外するように記載される場合があることに留意されたい。したがって、この記載は、クレーム要素の引用、または「否定的な」制限の使用に関連して、「単に」、「のみ」などの排他的な用語を使用するための先行詞として機能することを意図する。

［００７８］そのような排他的な用語を使用せずに、この開示に関連する請求項で「含む」という用語は、所定の数の要素がそのような請求項で列挙されているかどうかに関係なく、追加の要素を含めることを許容するか、または機能の追加により、そのような請求項に記載されている要素の性質を変換すると見なされる。本書で具体的に定義されている場合を除き、本書で使用されるすべての技術用語および科学用語は、クレームの有効性を維持しながら、できるだけ広く一般に理解されている意味で与えられるべきである。

［００７９］本開示の範囲は、提供された実施例および／または明細書に限定されるべきではなく、むしろ本開示に添付された請求項の文言の範囲によってのみ限定されるべきである。

Claims (4)

1. ３Ｄナノポアデバイスの製造方法において、
   第１の誘電体層の上に第１のＳｉ_３Ｎ_４層を堆積するステップと、
   前記第１のＳｉ_３Ｎ_４層の上に第１の金属層を堆積するステップと、
   前記第１の金属層の上に第２の誘電体層を堆積するステップと、
   前記第２の誘電体層の上に第２のＳｉ_３Ｎ_４層を堆積するステップと、
   前記第２のＳｉ_３Ｎ_４層の上に第２の金属層を堆積するステップと、
   前記第２の金属層をエッチングおよびパターニングして、第１の複数の細長い抑制電極を形成するステップと、
   前記第２の金属層の上に第３の誘電体層を堆積するステップと、
   前記第３の誘電体層の上に第３のＳｉ_３Ｎ_４層を堆積するステップと、
   前記第３のＳｉ_３Ｎ_４層の上に第３の金属層を堆積するステップと、
   前記第３の金属層をエッチングおよびパターニングして、第２の複数の細長い抑制電極を形成するステップと、
   前記第１および第２の複数の細長い抑制電極と、前記第２および第３のＳｉ_３Ｎ_４層と、前記第２および第３の誘電体層とをエッチングして、これらを通る複数の貫通ナノポアチャネルを形成するステップと
   を含み、
   前記第１の複数の細長い抑制電極のそれぞれが、前記第２の金属層から加工されており、
   前記第１の複数の細長い抑制電極のそれぞれが、前記第１の複数の細長い抑制電極の他の細長い抑制電極と平行であり、
   前記第２の複数の細長い抑制電極のそれぞれが、前記第３の金属層から加工されており、
   前記第２の複数の細長い抑制電極のそれぞれが、前記第２の複数の細長い抑制電極の他の細長い抑制電極と平行であり、
   前記第１および第２の複数の細長い抑制電極が、互いに直交していることを特徴とする方法。
2. 請求項１に記載の方法が、さらに、前記第１の誘電体層と、前記第１のＳｉ_３Ｎ_４層と、前記第１の金属層とを、前記第２の誘電体層に対する反対側からエッチングして、下部チャンバを前記複数の貫通ナノポアチャネルに流体的に連結するステップを含むことを特徴とする方法。
3. 請求項１に記載の方法が、さらに、前記第１の誘電体層と、前記第１のＳｉ_３Ｎ_４層と、前記第１の金属層と、前記第２の誘電体層と、前記第２のＳｉ_３Ｎ_４層と、前記第２の金属層とを、上部チャンバおよび下部チャンバの間に堆積するステップを含み、
   前記上部チャンバおよび前記下部チャンバが前記複数の貫通ナノポアチャネルによって流体的に連結されるように、前記上部チャンバ、前記下部チャンバ、および前記複数の貫通ナノポアチャネルが電解液を含むことを特徴とする方法。
4. 請求項１に記載の方法において、高アスペクト比の反応性イオンエッチングを用いて、複数の誘電体層と、Ｓｉ_３Ｎ_４層と、金属層とのスタックをエッチングして、貫通ナノポアチャネルを形成することを特徴とする方法。

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