WO2004038398A1 - Organic molecule detection element and organic molecule detection device - Google Patents

Organic molecule detection element and organic molecule detection device Download PDF

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WO2004038398A1
WO2004038398A1 PCT/JP2003/013133 JP0313133W WO2004038398A1 WO 2004038398 A1 WO2004038398 A1 WO 2004038398A1 JP 0313133 W JP0313133 W JP 0313133W WO 2004038398 A1 WO2004038398 A1 WO 2004038398A1
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region
dna
organic molecule
main surface
fixed
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PCT/JP2003/013133
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French (fr)
Japanese (ja)
Inventor
Takeshi Yagi
Original Assignee
Nikon Corporation
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403Cells and electrode assemblies
    • G01N27/414Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS
    • G01N27/4145Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors

Definitions

  • the present invention relates to an organic molecule detection element and an organic molecule detection device used for detecting various organic molecules (for example, bases including nucleic acids and proteins such as DNA and RNA).
  • organic molecules for example, bases including nucleic acids and proteins such as DNA and RNA.
  • DNA having a known base sequence or property is immobilized as a probe
  • DNA having an unknown base sequence or property is hybridized to the probe as a target.
  • a DNA whose nucleotide sequence is unknown may be used as a probe and a known DNA as a target.
  • the DNA chip is sufficiently washed to remove the target other than the target adhered to the probe.
  • the probe 'or target is DNA whose base sequence or the like is known.
  • the DNA chip after hybridization is irradiated with excitation light such as ultraviolet light, and the excitation light is used to excite the DNA chip.
  • excitation light such as ultraviolet light
  • the generated fluorescence from the fluorescent substance is visually observed by the imaging device, and it is detected whether or not the probe and the target have hybridized and the fixing position thereof.
  • the known base sequence and characteristics of the probe (or target) can be specified based on this information.
  • the unknown base sequence and characteristics of the target (or prop) can be analyzed based on such information.
  • An object of the present invention is to provide an organic molecule detection element and an organic molecule detection device that can improve the working efficiency, reduce the size and simplification of the detection device, and can also improve the detection sensitivity. .
  • the electrode region is arranged near the main surface of the semiconductor substrate on the side opposite to the control electrode region.
  • the organic molecule detection device 40 determines whether or not the index DNA 18 is fixed to the DNA fixing region 19 of the organic molecule detection element 10 based on the current value measured by the ammeter 42. It is possible to detect with high sensitivity whether or not the DNA to be detected is complementarily bound to the indicator DNA 18.
  • the organic molecule detecting element 10 having the same operating characteristics as the enhancement type MOS-FET has been described as an example.
  • the present invention relates to a depletion type MOS transistor.
  • a channel region of a conductivity type opposite to that of the silicon substrate 11 is formed on the main surface side between the electrode regions 21 and 22 of the silicon substrate 11.
  • the organic molecule detection device 70 having the above-described configuration, when the indicator DNA 18 is fixed to the DNA fixing region 73, the charge amount of the indicator DNA 18 (in the region 71 a adjacent to the gut region 78 of the silicon substrate 71) A current path is formed according to ⁇ : quantity.
  • quantity.
  • the area of the DNA fixing region 73 of the organic molecule detection element 70 (the area of the surface of the metal thin film 72) is larger than the area of the gate region 78, the DNA fixing region 73 Even if the amount of charge on DNA 18 or the DNA to be detected is very small, the width of the current path between the source region 76 and the drain region 77 can be efficiently controlled by the charge amount, resulting in high sensitivity. Detection can be performed.
  • the immobilized indicator DNA 18 can be quantitatively confirmed before the DNA to be detected is bound by capture.
  • a positive voltage for example, 5 V
  • the indicator DNA 18 can be attracted to the DNA fixing region 73, and the indicator DNA 18 can be effectively immobilized to the DNA fixing region 73 even if the indicator DNA 18 is in a trace amount.
  • the potential of the silicon substrate 71 is adjusted so that no current flows in the forward direction.
  • the organic molecule detection element 80 has a silicon oxide film 13 and a metal film 14, similar to the organic molecule detection element 70 of FIG. 15 and a silicon oxide film 16 are formed, and a silicon nitride film 82 is formed thereon.
  • the silicon substrate 81 (semiconductor substrate) of the organic molecule detection element 80 is provided with a gate region 83 (control electrode region) instead of the gate region 78 of the silicon substrate 71 of the organic molecule detection element 70 (FIG. 3). And into the surface of this gate region 83 V-shaped recess 84 is provided.
  • the silicon layer 74 is P-type and the silicon layer 75 is N-type.
  • the main surface (the surface of the silicon layer 75) of the silicon substrate 81 is protected by ion implantation through the thin silicon oxide film 101, so that a high-precision state is maintained.
  • the source region 76 and the drain region 77 may be formed by patterning a thick silicon oxide film, and using this as a mask by a vapor phase diffusion method using heat.
  • the gate region 83 may be formed by a vapor phase diffusion method using heat using a patterned silicon oxide film as a mask.
  • a silicon oxide film 101 is further grown by a thermal oxidation method or the like, and as shown in FIG. To form At this time, the silicon oxide film 13 is also formed on the surface of the gate region 83.
  • a resist pattern 107 is formed on the silicon oxide film 13 (FIG. 6C), and a part of the silicon oxide film 13 is etched using the resist pattern 107 as a mask. Through this etching, through holes 14a and 15a are formed in the silicon oxide film 13, and the above-described source region 76 and drain region 77 are exposed.
  • a metal film for wiring is formed on the entire surface using a sputtering device or the like. Then, using a resist pattern (not shown) as a mask, a part of the metal film is etched to form the metal films 14 and 15 shown in FIG. 7A.
  • the metal films 14 and 15 are connected to the source region 76 and the drain via the through holes 14a and l5a. It is electrically connected to the rain area 77.
  • a silicon oxide film 16 is formed on the entire surface (FIG. 7 (b)).
  • a silicon nitride film 82 is formed on the entire surface.
  • a resist pattern 108 is formed on the silicon nitride film 82 (FIG. 7C), and a part of the silicon nitride film 82 and a part of the silicon oxide film 13, 16 are used as a mask.
  • the silicon oxide film 16 is a protective film made of PSG or the like.
  • a through hole 109 is formed in the silicon nitride film 82 and the silicon oxide films 13 and 16, and the gate region 83 is exposed. Then, after removing and cleaning the resist pattern 108, a concave portion is formed by the surface of the gate region 83, the silicon nitride film 82, and the silicon oxide films 13 and 16. The bottom surface of this concave portion is V-shaped, and serves as a DNA fixing region 85 (FIG. 4).
  • the surface of the V-shaped concave portion 84 (DNA fixing region 85) is subjected to a plasma treatment or the like, thereby completing the organic molecule detecting element 80 of the third embodiment.
  • the periphery of the DNA fixing region 85 is covered with a silicon nitride film 82 and a silicon oxide film 13, 16.
  • the silicon nitride film 82 has a denser film structure than the silicon oxide film, is less likely to take in alkali metal (eg, sodium) atoms, and has excellent chemical resistance, and thus functions reliably as a protective film '. With the silicon nitride film 82, deterioration of the metal films 14, 15 can be reliably prevented.
  • alkali metal eg, sodium
  • the organic molecule detection element 80 having the above configuration, when the indicator DNA is fixed to the DNA fixing region 85, the charge amount of the indicator DNA (the region 81a adjacent to the gate region 83 of the silicon substrate 81) The current path is formed according to the quantity.
  • the DNA to be detected is complementarily bound to the indicator DNA, a current path is formed in the region 81a according to the total amount of the indicator DNA and the DNA to be detected). Therefore, based on the amount of current flowing in the region 81a between the source region 76 and the drain region 77, whether or not the indicator DNA is fixed in the DNA anchoring region 85, and the DN to be detected is indicated in the indicator DNA. It can be detected whether or not A has been complementarily bound.
  • a power supply 41 and an ammeter 42 are connected to the organic molecule detection element 80.
  • organic molecule detection element 80 When DNA is detected using the organic molecule detection element 80, a power supply 41 and an ammeter 42 (FIG. 2) are connected to the organic molecule detection element 80. And organic molecule detection element
  • the organic molecule detection element 80 even when nothing is fixed to the DNA fixing region 85, a current path is formed in the region 81a between the source region 76 and the drain region 77, In this state, variations in the production of the organic molecule detection element 80 can be investigated. After the indicator DNA is immobilized on the DNA fixing region 85, the immobilized indicator DNA can be quantitatively confirmed before the DNA to be detected is complementarily bound. Also in the third embodiment, it is not necessary to add a label to the DNA to be detected in advance, so that the working efficiency is improved. Further, downsizing and simplification of the detection device are realized, and the configuration can be made at a low cost.
  • the organic molecule detection element 80 it is preferable to apply a positive voltage (for example, 5 V) to the gate region 83 when fixing the indicator DNA to the DNA fixing region 85.
  • a positive voltage for example, 5 V
  • the index DNA can be attracted to the DNA fixed region 85, and even if the index DNA is very small, it can be effectively immobilized to the DNA fixed region 85.
  • the potential of the silicon substrate 81 is adjusted so that no current flows in the forward direction.
  • a V-shaped recess 92 is provided at a position facing the gate region 78 on the main surface of the silicon substrate 91 (the surface of the silicon layer 74), and the silicon layer including the surface of the loop 92 is provided.
  • the reason why the DNA fixing region 93 is arranged on the surface of 74 is to surely improve the detection sensitivity.
  • a region 91 a (predetermined region) sandwiched between the source region 76 and the drain region 77 of the silicon layer 75 and between the gut region 78 and the silicon layer 74 of the silicon layer 75 is formed of silicon. This is an area inside the circuit board 91 and an area for forming a current path (channel).
  • the organic molecule detecting element 90 of the fourth embodiment will be briefly described.
  • the description will be given by taking an example in which the silicon layer 74 is P-type and the silicon layer 75 is N-type.
  • a silicon oxide film 94 is formed on the entire surface of the polished silicon layer 74, and a silicon nitride film 95 is formed on the entire surface. Further, a resist pattern is formed on the silicon nitride film 95, and the silicon oxide film 94 and a part of the silicon nitride film 95 are etched using the resist pattern as a mask.
  • the exposed portion at this time is a narrow region facing only the gate region 78 of the silicon layer 75, and is used for forming the V-shaped concave portion 92.
  • the resist pattern is removed and cleaned, and the main surface (the surface of the silicon layer 74) of the silicon substrate 91 is etched using the silicon nitride film 95 as a mask. Etching in this case is performed using an anisotropic etching solution such as a TMAH solution. As a result, a V-shaped concave portion 92 is formed on the main surface of the silicon substrate 91 (the surface of the silicon layer 74) toward the inside.
  • an anisotropic etching solution such as a TMAH solution
  • a thin silicon oxide film is formed on the surface of the concave portion 92, another resist pattern is formed on the silicon nitride film 95, and using this as a mask, a P-type impurity is ion-implanted. Introduce to high concentration. By a subsequent annealing process, a P-type region having a high impurity concentration is formed in the concave portion 92 of the silicon layer 74 of the silicon substrate 91.
  • the organic molecule of the fourth embodiment is obtained.
  • the detection element 90 is completed.
  • the periphery of the DNA fixing region 93 is covered with a silicon nitride film 95 and a silicon oxide film 94.
  • the shape of the portion of the DNA fixing region 93 facing the gate region 78 (the shape of the surface of the silicon layer 74) is formed in a V shape toward the inside, the DNA fixing region 93 (the surface of the silicon layer 74) is formed. ) The detection sensitivity is surely improved as compared with the case where is flat.
  • the indicator DNA when nothing is fixed to the DNA fixing region 93, it is possible to investigate the variation in manufacturing the organic molecule detecting element 90. With the indicator DNA fixed to the DNA fixing region 93 (before the complementary binding of the DNA to be detected), the indicator DNA can be quantitatively confirmed.
  • the working efficiency is improved. Further, downsizing and simplification of the detection device are realized, and the configuration can be made at a low cost.
  • the organic molecule detection element 90 when fixing the indicator DNA to the DNA fixing region 93, a positive voltage (for example, 5 V) is applied to the silicon layer 74 using a wiring circuit (not shown). It is preferable to keep it. As a result, the index DNA can be attracted to the DNA fixed region 93, and even if the amount of the index DNA is very small, it can be effectively immobilized to the DNA fixed region 93. At this time, it is needless to say that the bias voltage applied to the silicon layer 75 should be paid so that the current does not flow in the forward direction.
  • a positive voltage for example, 5 V
  • the organic molecule detection element 90 since a current path is formed in the region 91a inside the silicon substrate 91 (that is, inside the balta), noise is generated in the current path due to the influence of the element surface and the like. This does not occur, and the above-mentioned DNA detection can be performed accurately.
  • the main surface of the organic molecule detecting element 90 on the transistor section (76 to 78) side is sealed with a protective substrate (not shown), and is not contaminated by chemical treatment such as hybridization. Therefore, the durability of the organic molecule detection element 90 against chemicals is significantly improved.
  • the bonding agent for the wiring metal films 14, 15 and 96 and the protective substrate is a high melting point that can withstand high-temperature steps such as annealing and oxidation in the manufacturing process of the organic molecule detection element 90. It is preferable to select the material described above. For example, it is preferable to use Ti (titanium) or W (tungsten) for the metal films 14, 15 and 96, and to use an inorganic adhesive as a bonding agent. Further, the bonding of the protective substrate may be performed using an anodic bonding method. Further, instead of the protection substrate, the main surface on the transistor section (76 to 78) side may be covered with a resin after the heating step.
  • a silicon nitride film is used.
  • this DNA separation film is replaced with a silicon nitride film. The same effect can be obtained by forming instead.
  • the DNA fixing region for example, 19
  • the corresponding current path forming region for example, 11a
  • the transistor unit for example, 21 and 22
  • the metal film for wiring for example,
  • an organic molecule detection element for example, 10 in which only one cell having (14, 15) is provided has been described as an example, a plurality of cells may be two-dimensionally arranged in a matrix.
  • DNA fixed region of a specific cell to which a certain type of DNA is to be attached it is preferable to apply a voltage of the source. As a result, DNA can be attracted only to the DNA fixing region to which the positive voltage has been applied, and a trace amount of DNA can be selectively immobilized on a specific cell.
  • an organic molecule detection device equipped with multiple cells, by measuring the amount of current flowing through the current path formation region (for example, 11a) with nothing attached to the DNA fixed region of each cell. The individual difference (variation) between cells can be confirmed. Then, by applying a desired voltage in consideration of individual differences between cells to the region functioning as a back gate, the individual differences can be corrected. By this correction, the width of the current path can be controlled appropriately (eg, uniformly) in advance. Note that an appropriate voltage value (for example, an average value) to be applied to the back gate may be obtained in consideration of individual differences between cells, and this may be applied as a whole.
  • an appropriate voltage value for example, an average value
  • two gate regions are opposed to each other with the current path forming region interposed therebetween.
  • the gate regions may likewise be opposed.
  • the gate region may be formed in a cylindrical shape.
  • the organic molecule detecting element using the silicon substrate has been described, but various semiconductor substrates can be used instead of the silicon substrate (for example, GaAs).

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Abstract

An element used for detecting organic molecules, which can improve a work efficiency, downsize and simplify a detection device, and improve a detection sensitivity. The element comprises a pair of electrode areas (21, 22) provided on the main surface of a semiconductor substrate (11), insulation films (12, 13) formed on the main surface of the semiconductor substrate, a metal film (17) formed via insulation films so as to cover a specified area (11a) on the main surface side and between electrode areas, and an area (19) disposed on the surface of the metal film to fix organic molecules. A current route is formed in the specified area (11a) according to the electrification amount of those organic molecules that have been fixed in at least the fixing area (19).

Description

明細書 有機分子検出素子および有機分子検出装置 技術分野  Description Organic molecule detection element and organic molecule detection device
本発明は、 様々な有機分子 (例えば、 D N Aや RN Aなどの核酸や蛋白質を含 めた塩基類) の検出に用いられる有機分子検出素子および有機分子検出装置に関 する。 背景技術  The present invention relates to an organic molecule detection element and an organic molecule detection device used for detecting various organic molecules (for example, bases including nucleic acids and proteins such as DNA and RNA). Background art
従来より、 DNAの塩基配列や特性を解析するために、 DNAチップを用いた DNAの検出が行われている。 DNAチップは、 ガラスプレート表面にプローブ Conventionally, detection of DNA using a DNA chip has been performed in order to analyze the base sequence and characteristics of DNA. DNA chip is probed on the glass plate surface
(指標となる DNA)を固定したものである。 DN Aチップのプローブに対して、 蛍光物質が付加されたターゲット (検出対象となる DNA) をハイブリダィズさ せて、 DNAの解析が行われる。 (Indicator DNA) is fixed. DNA analysis is performed by hybridizing a target (DNA to be detected) to which a fluorescent substance has been added to the probe of the DNA chip.
ここで、 既知の塩基配列や特性を持つ DNAがプローブとして固定された場合 には、 未知の塩基配列や特性を持つ DNAがターゲットとしてプローブにハイブ リダィズされる。 逆に、 塩基配列などが未知の DN Aをプローブ、 既知の DNA をターゲットとして用いることもある。  Here, when DNA having a known base sequence or property is immobilized as a probe, DNA having an unknown base sequence or property is hybridized to the probe as a target. Conversely, a DNA whose nucleotide sequence is unknown may be used as a probe and a known DNA as a target.
何れにしても、 ハイブリダィゼーシヨン処理の後、 DN Aチップは十分に洗浄 され、 プローブに固着したターゲット以外は除去される。 その結果、 1つの DN Aチップ上には、プローブとターゲットとが固着した箇所が点在することになる。 プローブとターゲットとが固着した各々の箇所において、 プローブ'またはターグ ットは、 塩基配列などが既知の DNAである。  In any case, after the hybridization treatment, the DNA chip is sufficiently washed to remove the target other than the target adhered to the probe. As a result, on one DNA chip, there are scattered portions where the probe and the target are fixed. At each position where the probe and target are fixed, the probe 'or target is DNA whose base sequence or the like is known.
ターゲットには予め蛍光物質が付加されているため、 この蛍光物質を標識とし て、 プローブとターゲットがハイブリダィズしたか否かやその固着位置などを検 出することができる。  Since a fluorescent substance is added to the target in advance, this fluorescent substance can be used as a label to detect whether or not the probe and the target have hybridized and the position where the probe and the target are fixed.
具体的には、 DNAチップを用いた DNAの解析に際して、 ハイブリダイズし た後の D N Aチップには紫外線などの励起光が照射され、 この励起光によって励 起された蛍光物質からの蛍光が目視ゃ撮像素子により観察され、 プローブとター ゲットがハイプリダイズしたか否かやその固着位置などが検出される。 Specifically, when analyzing DNA using a DNA chip, the DNA chip after hybridization is irradiated with excitation light such as ultraviolet light, and the excitation light is used to excite the DNA chip. The generated fluorescence from the fluorescent substance is visually observed by the imaging device, and it is detected whether or not the probe and the target have hybridized and the fixing position thereof.
そして、 プローブとターゲットとの固着位置などの情報が得られると、 この情 報に基づいてプローブ (またはターゲット)の既知の塩基配列や特性を特定するこ とができ、 特定された既知の塩基配列などに基づいてターゲット(またはプロ一 プ)の未知の塩基配列や特性を解析することができる。  Then, when information such as the position where the probe and the target are fixed to each other is obtained, the known base sequence and characteristics of the probe (or target) can be specified based on this information. The unknown base sequence and characteristics of the target (or prop) can be analyzed based on such information.
しかし、 DNAチップを用いて DNAの検出を行うためには、 ガラスプレート 表面に固定されたプローブに対してターゲットをハイブリダィズさせる前に、 タ ーゲットに対して予め標識用の蛍光物質を付加しておかなければならないため、 作業効率が悪かった。  However, in order to detect DNA using a DNA chip, it is necessary to add a fluorescent substance for labeling to the target before hybridizing the target to the probe fixed on the surface of the glass plate. Work efficiency was poor.
また、 プローブとターゲットがハイブリダィズしたか否かやその固着位置など を検出するためには、 ターゲットに付加された蛍光物質を励起する光源や光学系 が必要であり、 蛍光物質からの蛍光を観察する光学系や撮像素子も必要である。 蛍光を観察する光学系には、 励起光を遮断して蛍光を透過する光学フィルタゃ顕 微鏡が含まれる。 つまり、 検出装置が大きく複雑であった。  In addition, in order to detect whether the probe and the target have hybridized or not, the position where the probe and the target are fixed, etc., a light source or an optical system that excites the fluorescent substance added to the target is necessary, and fluorescence from the fluorescent substance is observed. An optical system and an image sensor are also required. The optical system for observing fluorescence includes an optical filter and a microscope that block excitation light and transmit fluorescence. That is, the detection device was large and complicated.
ところで、 トランジスタによる DNAの検出装置も提案されている (例えば特 表 200 1— 5 1 1 245号公報) 。 この検出装置では、 MO S トランジスタの ゲートにプローブ (指標となる DNA) を固定化し、 これにターゲット (検出対 象となる DNA) をハイブリダィズさせ、 ソース ' ドレイン間の電流量の変動を 検出することにより、 DNAの検出を行う。  By the way, a device for detecting DNA using a transistor has also been proposed (for example, Japanese Patent Application Publication No. 2001-511245). In this detector, a probe (DNA serving as an index) is immobilized on the gate of a MOS transistor, and a target (DNA serving as a detection target) is hybridized with the probe to detect a change in the amount of current between the source and the drain. To detect DNA.
このため、 ターゲットに対する蛍光処理 (標識用の蛍光物質の付加) や特殊な 解析装置 (励起用,蛍光観察用の光学系など) を必要とせず、 簡便に DNAを検出 できる。  Therefore, DNA can be easily detected without the need for fluorescent treatment (addition of a fluorescent substance for labeling) to the target or special analysis equipment (optical system for excitation, fluorescence observation, etc.).
しかしながら、 上記の特表 200 1 - 5 1 1 24 5号公報に記載された検査装 置では、 DNAチップを用いた場合と比較して、 DNAの検出感度が低かった。 このため、 MO トランジスタのゲ一ト上のプローブやターゲットの数量が少な いと、 良好な検出結果を得ることができなかった。 発明の開示 本発明の目的は、 作業効率の向上と検出装置の小型化および簡素化とを実現で きると共に、 検出感度を向上させることもできる有機分子検出用素子および有機 分子検出装置を提供することにある。 However, in the test device described in the above-mentioned Japanese Translation of PCT Publication No. 2001-5111245, the detection sensitivity of DNA was lower than that in the case where a DNA chip was used. For this reason, if the number of probes and targets on the gate of the MO transistor was small, good detection results could not be obtained. Disclosure of the invention An object of the present invention is to provide an organic molecule detection element and an organic molecule detection device that can improve the working efficiency, reduce the size and simplification of the detection device, and can also improve the detection sensitivity. .
本発明の有機分子検出素子は、 半導体基板の主面に一対の電極領域を設け、 前 記主面に形成された絶縁膜と、 前記絶縁膜を介して前記電極領域の間の前記主面 側の所定領域を覆うように形成された金属膜と、 前記金属膜の表面に配置された 有機分子の固定領域とを含み、 前記所定領域には、 少なくとも前記固定領域に前 記有機分子が固定されたとき、 該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路 が形成されるものである。  An organic molecule detection element according to the present invention includes: a pair of electrode regions provided on a main surface of a semiconductor substrate; an insulating film formed on the main surface; and the main surface side between the electrode regions via the insulating film. A metal film formed so as to cover the predetermined region, and an organic molecule fixing region disposed on the surface of the metal film, wherein the organic molecule is fixed to at least the fixing region in the predetermined region. Then, a current path is formed according to the charge amount of the fixed organic molecule.
好ましくは、 本発明の有機分子検出素子は、 前記金属膜の表面の面積が、 前記 所定領域の前記主面内での面積より大きいものである。  Preferably, in the organic molecule detection element of the present invention, the surface area of the metal film is larger than the area of the predetermined region in the main surface.
本発明の他の有機分子検出素子は、半導体基板の主面に一対の電極領域を設け、 前記主面に形成された金属膜と、 前記金属膜の表面に配置された有機分子の固定 領域とを含み、 前記半導体基板は、 前記電極領域の間の前記主面側に制御電極領 域を有し、 前記金属膜は、 前記制御電極領域を覆うように形成され、 かつ、 前記 金属.膜の表面の面積が前記制御電極領域の前記主面内での面積より大きく、 前記 電極領域の間で前記制御電極領域に隣接する所定領域には、 少なくとも前記固定 領域に前記有機分子が固定されたとき、 ·該固定された有機分子の帯電量に応じて 電流経路が形成されるものである。  Another organic molecule detecting element of the present invention is provided with a pair of electrode regions on a main surface of a semiconductor substrate, a metal film formed on the main surface, and a fixed region for organic molecules disposed on a surface of the metal film. Wherein the semiconductor substrate has a control electrode region on the main surface side between the electrode regions, the metal film is formed so as to cover the control electrode region, and The surface area is larger than the area of the control electrode region in the main surface, and the predetermined region adjacent to the control electrode region between the electrode regions includes at least the fixed region in which the organic molecules are fixed. · A current path is formed according to the charge amount of the fixed organic molecule.
本発明のさらに他の有機分子検出素子は、 半導体基板の主面に一対の電極領域 を設け、 前記主面に配置された有機分子の固定領域を含み、 前記半導体基板は、 前記電極領域の間の前記主面側に制御電極領域を有し、 かつ、 前記制御電極領域 の表面に内部へ向けて V字型の凹部を有し、 前記固定領域は、 前記 V字型の凹部 に配置され、 前記電極領域の間で前記制御電極領域に隣接する所定領域には、 少 なくとも前記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、 該固定された有機分子 の帯電量に応じて電流経路が形成されるものである。  Still another organic molecule detecting element of the present invention includes: a pair of electrode regions provided on a main surface of a semiconductor substrate; and a fixed region of organic molecules disposed on the main surface. The semiconductor substrate is provided between the electrode regions. Has a control electrode region on the main surface side thereof, and has a V-shaped recess toward the inside on the surface of the control electrode region, and the fixed region is disposed in the V-shaped recess. A current path is formed in the predetermined region adjacent to the control electrode region between the electrode regions, at least when the organic molecule is fixed to the fixed region, according to the charge amount of the fixed organic molecule. Is what is done.
好ましくは、 本発明の有機分子検出素子は、 前記電極領域が、 前記半導体基板 のうち、 前記制御電極領域とは反対側の主面近傍に配置されたものである。  Preferably, in the organic molecule detecting element according to the present invention, the electrode region is arranged near the main surface of the semiconductor substrate on the side opposite to the control electrode region.
本発明の有機分子検出装置は、 上記した有機分子検出素子と、 前記半導体基板 の前記所定領域に形成される前記電流経路の電気特性を測定する測定手段とを備 えたものである。 図面の簡単な説明 An organic molecule detection device according to the present invention includes: the above-described organic molecule detection element; and the semiconductor substrate. And measuring means for measuring electric characteristics of the current path formed in the predetermined area. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
図 1は、 有機分子検出素子 1 0の断面図である。  FIG. 1 is a cross-sectional view of the organic molecule detecting element 10.
図 2は、 有機分子検出装置 40の構成を示す図である。  FIG. 2 is a diagram showing a configuration of the organic molecule detection device 40.
図 3は、 有機分子検出素子 70の断面図である。  FIG. 3 is a cross-sectional view of the organic molecule detecting element 70.
図 4は、 有機分子検出素子 80の断面図である。  FIG. 4 is a cross-sectional view of the organic molecule detection element 80.
図 5は、 有機分子検出素子 80の製造工程を示す断面図である。  FIG. 5 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the organic molecule detecting element 80.
図 6は、 有機分子検出素子 80の製造工程を示す断面図である。  FIG. 6 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the organic molecule detecting element 80.
図 7は、 有機分子検出素子 80の製造工程を示す断面図である。  FIG. 7 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the organic molecule detecting element 80.
図 8は、 有機分子検出素子 90の断面図である。 発明を実施するための最良の形態  FIG. 8 is a cross-sectional view of the organic molecule detection element 90. BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
以下、 図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。  Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(第 1実施形態) (First Embodiment)
ここでは、 有機分子の 1例である DNAの検出について説明する。 第 1実施形 態の有機分子検出素子 1 0は、 エンハンスメント(enhancement)型の MO S— F E Tと同様の動作特性を有し、 D N Aがマイナスに帯電していることを利用して D N Aを検出する半導体素子である。  Here, detection of DNA, which is an example of an organic molecule, will be described. The organic molecule detection element 10 of the first embodiment has the same operating characteristics as an enhancement type MOS-FET, and detects DNA by utilizing the fact that DNA is negatively charged. It is a semiconductor element.
有機分子検出素子 1 0の構成について説明する。この有機分子検出素子 10は、 図 1(断面図)に示すように、 シリ コン基板 1 1の主面に、 シリ コン酸化膜 1 2,1 3と、 配線用の金属膜 14,1 5と、 シリコン酸化膜 1 6と、 DN A固定用の金属 薄膜 1 7とを順に形成したものである。 そして、 金属薄膜 1 7の表面に、 指標 D NA 1 8を固定する領域 (以下 「DNA固定領域 1 9」 という) が配置される。 各膜(1 2〜1 7)の形成は、 周知の半導体プロセス技術を用いて行われる。  The configuration of the organic molecule detecting element 10 will be described. As shown in FIG. 1 (cross-sectional view), the organic molecule detection element 10 includes a silicon oxide film 12, 13, and a metal film 14, 15 for wiring on the main surface of the silicon substrate 11. A silicon oxide film 16 and a metal thin film 17 for fixing the DNA are formed in this order. Then, a region for fixing the index DNA 18 (hereinafter referred to as “DNA fixing region 19”) is arranged on the surface of the metal thin film 17. The formation of each film (12 to 17) is performed using a well-known semiconductor process technology.
また、 有機分子検出素子 1 0のシリ コン基板 1 1(半導体基板)には、 その主面 側に、 一対の電極領域 2 1,22が形成されている。 電極領域 2 1,22は、 ソー ス ' ドレインに相当する。 電極領域 2 1,22の導電型は、 シリ コン基板 1 1の導 電型とは逆である。 The silicon substrate 11 (semiconductor substrate) of the organic molecule detecting element 10 has a pair of electrode regions 21 and 22 formed on the main surface side. The electrode regions 21 and 22 correspond to a source'drain. The conductivity type of the electrode regions 21 and 22 is the conductivity type of the silicon substrate 11 The opposite of the electric type.
シリコン酸化膜 1 2, 1 3 (絶縁膜)は、 シリコン基板 1 1の電極領域 2 1 , 22に 挟まれた領域の膜厚 Dが、 1θΑ〜100θΑ程度に薄膜化されている。 また、 シリコ ン酸化膜 1 2, 1 3の一部には、 貫通孔 14 a,l 5 aが設けられている。 貫通孔 14 a,l 5 aは、 各々、 配線用の金属膜 1 4,1 5を電極領域 2 1,22に電気的 接続するためのコンタク トホールである。  The silicon oxide film 12, 13 (insulating film) has a film thickness D of a region sandwiched between the electrode regions 21, 22 of the silicon substrate 11, which is reduced to about 1θΑ to 100θΑ. Further, through holes 14a and 15a are provided in a part of the silicon oxide films 12 and 13. The through holes 14a and 15a are contact holes for electrically connecting the wiring metal films 14 and 15 to the electrode regions 21 and 22, respectively.
シリコン酸化膜 1 6は、金属膜 14,1 5を覆うように形成されている。ただし、 後述の測定機器(41,42)を電気的に接続するため、金属膜 14,1 5上の一部分 には、 シリコン酸化膜 1 6の無い露出部が確保されている。  The silicon oxide film 16 is formed so as to cover the metal films 14 and 15. However, in order to electrically connect the measuring instruments (41, 42) described later, an exposed portion without the silicon oxide film 16 is secured in a part on the metal films 14, 15.
さらに、 DN A固定用の金属薄膜 1 7 (金属膜)は、 シリコン酸化膜 1 2,1 3の 薄膜化された部分を介して、電極領域 2 1,22の間の主面側の領域 1 1 aを覆う ように形成されている。 金属薄膜 1 7は、 MO Sのゲート部に相当する。 この金 属薄膜 1 7とシリコン基板 1 1の領域 1 1 aとは、 薄膜化されたシリコン酸化膜 1 2,1 3を介して絶縁されている。  Further, the metal thin film 17 (metal film) for fixing the DNA is formed on the main surface side between the electrode regions 21 and 22 through the thinned portion of the silicon oxide film 12 and 13. It is formed to cover 1a. The metal thin film 17 corresponds to the gate portion of the MOS. The metal thin film 17 and the region 11 a of the silicon substrate 11 are insulated from each other via the thinned silicon oxide films 12 and 13.
また、 金属薄膜 1 7は、 シリコン酸化膜 1 2,1 3,1 6による凹部の中だけで なく、この凹部の周囲(シリコン酸化膜 1 6の上)まで延在して形成されている。 このため、 金属薄膜 1 7の表面の面積、 つまり、 DNA固定領域 1 9の面積は、 シリコン基板 1 1の領域 1 1 aの主面内での面積より大きく確保されたことにな る。 これは、 検出感度を確実に向上させるためである。  Further, the metal thin film 17 is formed so as to extend not only into the concave portion formed by the silicon oxide films 12, 13, 16, but also to the periphery of the concave portion (on the silicon oxide film 16). Therefore, the area of the surface of the metal thin film 17, that is, the area of the DNA fixing region 19 is secured to be larger than the area in the main surface of the region 11 a of the silicon substrate 11. This is to improve the detection sensitivity without fail.
金属薄膜 1 7の材料としては、 例えば金を用いることが好ましい。 しかし、 金 の他、 耐薬品性の優れた金属であれば何でも用いることができる (例えば P t, W,A 1 ) 。  As a material of the metal thin film 17, for example, gold is preferably used. However, in addition to gold, any metal having excellent chemical resistance can be used (for example, Pt, W, A 1).
上記構成の有機分子検出素子 10において、 DNA固定領域 1 9に指標 DNA 18が固定されると、 シリコン基板 1 1の領域 1 1 aには、 指標 DNA 1 8の帯 電量に応じて電流経路が形成される。 指標 DNA 1 8の帯電量は、 固定化された 数量にほぼ比例している。  In the organic molecule detection element 10 having the above configuration, when the index DNA 18 is fixed to the DNA fixing area 19, a current path is formed in the area 11a of the silicon substrate 11 according to the charge amount of the index DNA 18. It is formed. The charge amount of the indicator DNA 18 is almost proportional to the amount immobilized.
また、 指標 DNA 1 8に検出対象の DNA (不図示)が相補結合されると、 シリ コン基板 1 1の領域 1 1 aには、 固定化された指標 DNA 18の数量 (つまり帯 電量) と、 相補結合された検出対象の DN Aの数量 (つまり帯電量) との総量に 応じて、 電流経路が形成される。 When the DNA to be detected (not shown) is complementarily bound to the indicator DNA 18, the region 11a of the silicon substrate 11 has the quantity of the immobilized indicator DNA 18 (that is, the charged amount). , The total amount of the complementary bound DNA to be detected (that is, the amount of charge) Accordingly, a current path is formed.
そして、シリコン基板 1 1の領域 1 1 aに形成される電流経路の幅が広いほど、 電極領域 21,22間には、 多くの電流が流れる。 したがって、 電極領域 2 1,2 2間の領域 1 1 aを流れる電流の量に基づいて、 DNA固定領域1 9に指標 DN A 1 8が固定されたか否かや、 指標 DNA18に検出対象の D N Aが相補結合さ れたか否かを検出できる。  And, the larger the width of the current path formed in the region 11 a of the silicon substrate 11, the more current flows between the electrode regions 21 and 22. Therefore, based on the amount of current flowing through the region 11a between the electrode regions 21 and 22, it is determined whether or not the index DNA 18 is immobilized on the DNA immobilization region 19, and the target DNA is detected on the index DNA 18 Can be detected whether or not has been complementary-bound.
さらに、 第 1実施形態の有機分子検出素子 1 0では、 DN A固定領域 1 9の面 積 (金属薄膜 1 7の表面の面積) をシリコン基板 1 1の領域 1 1 aの面積より大 きく したので、 DNA固定領域1 9と領域 1 1 aの面積が同程度の場合と比較し て、 検出感度が確実に向上する。  Further, in the organic molecule detecting element 10 of the first embodiment, the area of the DNA fixing area 19 (the area of the surface of the metal thin film 17) is larger than the area of the area 11a of the silicon substrate 11. Therefore, the detection sensitivity is reliably improved as compared with the case where the areas of the DNA fixing region 19 and the region 11a are almost the same.
指標 DNA 1 8や検出対象の DNAによって生ずる電位変化は、 金属薄膜 1 Ί の表面の面積に比例するため、 金属薄膜 1 7の面積を大きく確保することで、 指 標 DNA 18や検出対象の DN Aによって大きな電位変化を生じさせることがで きるからである。  Since the potential change caused by the index DNA 18 and the DNA to be detected is proportional to the surface area of the metal thin film 1 Ί, securing a large area of the metal thin film 17 allows the index DNA 18 and the DN of the target to be detected. This is because A can cause a large potential change.
ここで、 上記の有機分子検出素子 1 0を用いて構成される有機分子検出装置 4 0には、 図 2に示すように、 有機分子検出素子 1 0の他、 電源 41および電流計 42 (測定手段) が設けられる。 電源 41は定電圧源である。 電源 4 1,電流計 4 2は、 有機分子検出素子 1 0の金属膜 14,1 5の間に接続される。  Here, as shown in FIG. 2, the organic molecule detecting device 40 including the organic molecule detecting element 10 includes a power source 41 and an ammeter 42 (measurement) in addition to the organic molecule detecting element 10. Means) are provided. The power supply 41 is a constant voltage source. The power supply 41 and the ammeter 42 are connected between the metal films 14 and 15 of the organic molecule detection element 10.
この有機分子検出装置 40では、 電源 4 1によって、 有機分子検出素子 10の 金属膜 14,1 5間に所定の電圧が印加され、 電流計 42によって、 有機分子検出 素子 1 0の金属膜 14,1 5間を流れる電流量の測定が行われる。 金属膜 1 4,1 5間を流れる電流量とは、 シリコン基板 1 1 (図 1 )の電極領域 2 1, 2 2間を流れ る電流量に対応する。  In the organic molecule detection device 40, a predetermined voltage is applied between the metal films 14, 15 of the organic molecule detection element 10 by the power supply 41, and the metal film 14, 14 of the organic molecule detection element 10 is The amount of current flowing between 15 is measured. The amount of current flowing between the metal films 14 and 15 corresponds to the amount of current flowing between the electrode regions 21 and 22 of the silicon substrate 11 (FIG. 1).
したがって、 有機分子検出装置 40(図 2)では、 電流計 4 2によって測定され た電流値に基づいて、 有機分子検出素子 10の DNA固定領域 1 9に指標 DNA 1 8が固定されたか否かや、 指標 DNA 1 8に検出対象の DNAが相補結合され たか否かを高感度で検出することができる。  Therefore, the organic molecule detection device 40 (FIG. 2) determines whether or not the index DNA 18 is fixed to the DNA fixing region 19 of the organic molecule detection element 10 based on the current value measured by the ammeter 42. It is possible to detect with high sensitivity whether or not the DNA to be detected is complementarily bound to the indicator DNA 18.
上記したように、 第 1実施形態では、 DN Aがマイナスに帯電していることを 利用するため、 検出対象の: D N Aに対して予め標識 (蛍光物質など)を付加しなく P 雇画 13133 As described above, the first embodiment utilizes the fact that DNA is negatively charged, so that no label (fluorescent substance, etc.) is added in advance to the detection target: DNA. P hiring 13133
7 ても、 標識 DNA 1 8や検出対象の DNAを容易に検出できる。  However, labeled DNA 18 and the DNA to be detected can be easily detected.
さらに、 第 1実施形態では、 有機分子検出素子 1 0の DNA固定領域 1 9の面 積 (金属薄膜 1 7の表面の面積) をシリコン基板 1 1の領域 1 1 aの面積より大 きく したため、 DNA固定領域1 9上の指標 DN A 18や検出対象の DNAの帯 電量が微少であっても、 その帯電量によって、 電極領域 2 1,22間の電流経路の 幅を効率良く制御でき、 高感度な検出が行える。  Furthermore, in the first embodiment, the area (the surface area of the metal thin film 17) of the DNA fixing region 19 of the organic molecule detection element 10 is larger than the area of the region 11a of the silicon substrate 11; Even if the charge amount of the indicator DNA 18 on the DNA immobilization region 19 or the DNA to be detected is very small, the width of the current path between the electrode regions 21 and 22 can be efficiently controlled by the charge amount. Sensitive detection can be performed.
また、第 i実施形態では、検出対象の D N Aに標識を付加する必要がないため、 作業効率が向上する。 さらに、 蛍光物質を標識としないため、 蛍光物質を励起す る光源や光学系、 および蛍光物質からの蛍光を観察する光学系や撮像素子が不要 となり、 その代わりに必要となる構成が電流値を測定する手段(4 1,42)である ため、 検出装置の小型化および簡素化が実現し、 安価に構成できる。  Further, in the i-th embodiment, it is not necessary to add a label to the DNA to be detected, so that the working efficiency is improved. Furthermore, since the fluorescent substance is not used as a label, a light source and an optical system for exciting the fluorescent substance, and an optical system and an image sensor for observing the fluorescence from the fluorescent substance are not required. Since the measuring means (41, 42) is used, the size and simplification of the detecting device can be realized and the configuration can be made at a low cost.
なお、 上記した第 1実施形態では、 エンハンスメント型の MOS— FETと同 様の動作特性を有する有機分子検出素子 10を例に説明したが、 本発明は、 ディ プリ ッション (depletion)型の MO S— F E Tと同様の動作特性を有する有機分子 検出素子にも適用することができる。 この場合、 シリ コン基板 1 1の電極領域 2 1,2 2の間の主面側には、シリコン基板 1 1とは逆導電型のチャネル領域が形成 される。  In the above-described first embodiment, the organic molecule detecting element 10 having the same operating characteristics as the enhancement type MOS-FET has been described as an example. However, the present invention relates to a depletion type MOS transistor. — Can be applied to organic molecule detectors that have the same operating characteristics as FETs. In this case, a channel region of a conductivity type opposite to that of the silicon substrate 11 is formed on the main surface side between the electrode regions 21 and 22 of the silicon substrate 11.
また、 上記した第 1実施形態では、 シリコン基板 1 1の同一主面側に DNA固 定領域 1 9と金属膜 14,1 5とを形成したが、 DNA固定領域1 9と金属膜 14, 1 5とをシリ コン基板 1 1の反対側の主面に形成しても良い。 この場合、 電極領 域 21,22は、 DNA固定領域 1 9が形成される側の主面 (表面)またはその近傍 から反対側の主面 (裏面)まで、 連続的に深く形成される。 また、 領域 1 1 aの絶 縁膜はシリコン窒化膜などでも良い。  In the first embodiment, the DNA fixing region 19 and the metal films 14 and 15 are formed on the same main surface side of the silicon substrate 11. However, the DNA fixing region 19 and the metal films 14 and 15 are formed. 5 may be formed on the opposite main surface of the silicon substrate 11. In this case, the electrode regions 21 and 22 are formed continuously and deeply from the main surface (front surface) on the side where the DNA fixing region 19 is formed or the vicinity thereof to the opposite main surface (rear surface). The insulating film of the region 11a may be a silicon nitride film or the like.
(第 2実施形態) (Second embodiment)
ここでも、 有機分子の 1例である DNAの検出について説明する。 第 2実施形 態の有機分子検出素子 70は、 J一 FETと同様の動作特性を有し、 DNAがマ ィナスに帯電していることを利用して DN Aを検出する半導体素子である。  Here, the detection of DNA, an example of an organic molecule, will be described. The organic molecule detecting element 70 according to the second embodiment is a semiconductor element that has the same operating characteristics as the J-FET and detects DNA using the fact that DNA is negatively charged.
有機分子検出素子 70の構成について説明する。この有機分子検出素子 70は、 図 3 (断面図)に示すように、 シリ コン基板 7 1の主面に、 図 1の有機分子検出素 子 1 0と同様のシリコン酸化膜 1 3と金属膜 1 4 , 1 5とシリコン酸化膜 1 6と を形成し、 さらに D N A固定用の金属薄膜 7 2を形成したものである。 The configuration of the organic molecule detecting element 70 will be described. As shown in FIG. 3 (cross-sectional view), the organic molecule detecting element 70 is provided on the main surface of the silicon substrate 71 as shown in FIG. A silicon oxide film 13, metal films 14 and 15, and a silicon oxide film 16 similar to the child 10 are formed, and a metal thin film 72 for immobilizing DNA is further formed.
ここでは各々の膜 1 3〜1 6の説明を省略する。 金属薄膜 7 2の材料について も、 上記した金属薄膜 1 7と同様であるため、 その説明を省略する。 以下では、 シリコン基板 7 1および金属薄膜 7 2について説明する。  Here, the description of each of the films 13 to 16 is omitted. The material of the metal thin film 72 is the same as that of the metal thin film 17 described above, and the description thereof is omitted. Hereinafter, the silicon substrate 71 and the metal thin film 72 will be described.
有機分子検出素子 7 ◦のシリコン基板 7 1 (半導体基板) は、 シリコン層 7 4 の上に逆導電型のシリ コン層 7 5が形成され、 このシリ コン層 7 5の表面 (シリ コン基板 7 1の主面側) にソース領域 7 6と ドレイン領域 7 7とゲート領域 7 8 が形成されたものである。 シリ コン層 7 5は、 ェピタキシャル層である。  On the silicon substrate 71 (semiconductor substrate) of the organic molecule detecting element 7 ◦, a silicon layer 75 of the opposite conductivity type is formed on the silicon layer 74, and the surface of the silicon layer 75 (the silicon substrate 7 A source region 76, a drain region 77, and a gate region 78 are formed on the main surface side of FIG. The silicon layer 75 is an epitaxial layer.
ソース領域 7 6 ,ドレイン領域 7 7 (—対の電極領域) は、 シリ コン層 7 5と同 じ導電型であり、 各々、 シリコン酸化膜 1 3の貫通孔 1 4 a , 1 5 aを介して金属 膜 1 4 , 1 5に接続されている。 ゲート領域 7 8 (制御電極領域) は、 ソース領域 7 6 ,ドレイン領域 7 7の間に配置され、 シリコン層 7 4と同じ導電型であり、 不 図示の配線用の金属膜に接続されている。  The source region 76 and the drain region 77 (the pair of electrode regions) are of the same conductivity type as the silicon layer 75, and are formed through the through holes 14a and 15a of the silicon oxide film 13 respectively. Connected to the metal films 14 and 15. The gate region 78 (control electrode region) is disposed between the source region 76 and the drain region 77, has the same conductivity type as the silicon layer 74, and is connected to a wiring metal film (not shown). .
また、シリコン層 7 5のソース領域 7 6と ドレイン領域 7 7とに挟まれ、かつ、 シリコン層 7 5のゲート領域 7 8とシリコン層 7 4とに挟まれた領域 7 1 a (所 定領域) は、 シリコン基板 7 1の内部の領域であり、 電流経路 (チャネル) の形 成領域である。  In addition, a region 71 a between the source region 76 and the drain region 77 of the silicon layer 75 and the gate region 78 of the silicon layer 75 and the silicon layer 74 (the predetermined region ) Is a region inside the silicon substrate 71 and is a region where a current path (channel) is formed.
さらに、 シリコン層 7 5のゲート領域 7 8とシリコン層 7 4とは、 領域 7 1 a を電流経路の幅方向に挟んで対向配置されている。 ゲート領域 7 8と同様、 シリ コン層 7 4も不図示の配線用の金属膜に接続されている。このシリコン層 7 4は、 バックグートとして機能する。  Further, the gate region 78 of the silicon layer 75 and the silicon layer 74 are arranged to face each other with the region 71a interposed in the width direction of the current path. Like the gate region 78, the silicon layer 74 is also connected to a wiring metal film (not shown). This silicon layer 74 functions as a backgut.
また、 有機分子検出素子 7 0では、 上述した有機分子検出素子 1 0のような薄 いシリ コン酸化膜 1 2が存在していない。 このため、 有機分子検出素子 7 0の金 属薄膜 7 2は、 シリ コン基板 7 1のゲート領域 7 8を覆うように形成される。 つ まり、 金属薄膜 7 2とゲート領域 7 8とは電気的に接続される。 そして、 金属薄 膜 7 2の表面に、 指標 D N A 1 8を固定する領域 (以下 「D N A固定領域7 3 J という) が配置される。  Further, in the organic molecule detecting element 70, there is no thin silicon oxide film 12 unlike the organic molecule detecting element 10 described above. Therefore, the metal thin film 72 of the organic molecule detecting element 70 is formed so as to cover the gate region 78 of the silicon substrate 71. That is, the metal thin film 72 and the gate region 78 are electrically connected. Then, on the surface of the metal thin film 72, a region for fixing the index DNA 18 (hereinafter, referred to as a “DNA fixing region 73 J”) is arranged.
さらに、 金属薄膜 7 2は、 シリコン酸化膜 1 3 , 1 6,ゲート領域 7 8による凹 部の中だけでなく、 この凹部の周囲 (シリ コン酸化膜 1 6の上) まで延在して形 成されている。 このため、 金属薄膜 7 2の表面の面積、 つまり、 DNA固定領域 73の面積は、 シリコン基板 7 1のゲート領域 78の主面内での面積より大きく 確保されている。 これは、 検出感度を確実に向上させるためである。 Further, the metal thin film 72 is formed by the silicon oxide films 13, 16 and the gate region 78. It extends not only inside the part but also around the recess (on the silicon oxide film 16). Therefore, the area of the surface of the metal thin film 72, that is, the area of the DNA fixing region 73 is ensured to be larger than the area in the main surface of the gate region 78 of the silicon substrate 71. This is to improve the detection sensitivity without fail.
上記構成の有機分子検出素子 70において、 DNA固定領域 73に指標 DNA 18が固定されると、 シリコン基板 7 1のグート領域 78に隣接する領域 7 1 a には、 指標 DNA 1 8の帯電量(《:数量)に応じて電流経路が形成される。 また、 指標 DNA1 8に検出対象の DNAが相補結合されると、 領域 71 aには、 指標 DNA 1 8と検出対象の DN Aとの帯電量 数量)の総量に応じて、 電流経路が 形成される。  In the organic molecule detection device 70 having the above-described configuration, when the indicator DNA 18 is fixed to the DNA fixing region 73, the charge amount of the indicator DNA 18 (in the region 71 a adjacent to the gut region 78 of the silicon substrate 71) A current path is formed according to <<: quantity. When the DNA to be detected is complementarily bound to the indicator DNA 18, a current path is formed in the region 71a in accordance with the total amount of the indicator DNA 18 and the DNA to be detected). You.
したがって、 ソース領域 76,ドレイン領域 7 7の間の領域 7 1 aを流れる電流 の量に基づいて、 DN A固定領域 73に指標 DNA 1 8が固定されたか否かや、 指標 DNA 1 8に検出対象の DNAが相補結合されたか否かを検出できる。 さらに、 DN A固定領域 7 3の面積 (金属薄膜 72の表面の面積) をシリコン 基板 7 1のゲート領域 78の面積より大きくしたので、 DN A固定領域 73とゲ ート領域 78の面積が同程度の場合と比較して、 検出感度が確実に向上する。 有機分子検出素子 70を用いて DN Aを検出する場合、 有機分子検出素子 70 には、 電源 4 1と電流計 42 (図 2) が接続される。 そして、 有機分子検出素子 70のソース領域 76,ドレイン領域 77の間に所定の電圧が印加され、シリコン 層 75の領域 7 1 aに流れる電流量の測定が電流計 42を用いて行われる。 この とき、 ゲート領域 78は、 電圧の印加が遮断された状態に保たれる (フローティ ング) 。 また、 ゲート領域 78に対向配置されたシリ コン層 74には、 逆バイァ スの電圧 (シリ コン層 75より高い電圧) が印加される。  Therefore, based on the amount of current flowing through the region 71a between the source region 76 and the drain region 77, whether or not the indicator DNA 18 is fixed in the DNA fixing region 73 and whether or not the indicator DNA 18 is detected It can be detected whether or not the target DNA has been complementarily bound. Furthermore, since the area of the DNA fixed region 73 (the area of the surface of the metal thin film 72) is larger than the area of the gate region 78 of the silicon substrate 71, the area of the DNA fixed region 73 and the gate region 78 are the same. The detection sensitivity is surely improved compared to the case of the degree. When DNA is detected using the organic molecule detection element 70, a power supply 41 and an ammeter 42 (FIG. 2) are connected to the organic molecule detection element 70. Then, a predetermined voltage is applied between the source region 76 and the drain region 77 of the organic molecule detection element 70, and the amount of current flowing through the region 71a of the silicon layer 75 is measured using the ammeter 42. At this time, the gate region 78 is kept in a state where the application of the voltage is cut off (floating). In addition, a reverse bias voltage (a voltage higher than that of the silicon layer 75) is applied to the silicon layer 74 opposed to the gate region 78.
したがって、 有機分子検出素子 70によれば、 検出対象の DNAに対して予め 標識 (蛍光物質など)を付加しなくても、 電流計 42によって測定された電流値に 基づいて、 上記した指標 DN A 18や検出対象の DNAを容易に検出することが できる。  Therefore, according to the organic molecule detection element 70, the above-described index DN A can be obtained based on the current value measured by the ammeter 42 without adding a label (such as a fluorescent substance) to the DNA to be detected in advance. 18 and the target DNA can be easily detected.
さらに、 有機分子検出素子 70の DN A固定領域 7 3の面積 (金属薄膜 7 2の 表面の面積) をゲート領域 78の面積より大きく したため、 DN A固定領域 7 3 上の指標 DNA l 8や検出対象の DNAの帯電量が微少であっても、 その帯電量 によって、ソース領域 7 6,ドレイン領域 7 7の間の電流経路の幅を効率良く制御 でき、 高感度な検出が行える。 Furthermore, since the area of the DNA fixing region 73 of the organic molecule detection element 70 (the area of the surface of the metal thin film 72) is larger than the area of the gate region 78, the DNA fixing region 73 Even if the amount of charge on DNA 18 or the DNA to be detected is very small, the width of the current path between the source region 76 and the drain region 77 can be efficiently controlled by the charge amount, resulting in high sensitivity. Detection can be performed.
また、 有機分子検出素子 70では、 DN A固定領域 73に何も固定されていな い場合でも、 ソース領域 76,ドレイン領域 77の間の領域 71 aに電流経路が形 成されるため、 この状態で、 有機分子検出素子 70の製造時のバラツキを調査す ることもできる。 指標 DNA 1 8を DNA固定領域 73に固定させた後で、 検出 対象の DNAを相捕結合させる前に、 固定された指標 DNA1 8を定量的に確認 することもできる。  In addition, in the organic molecule detection element 70, even if nothing is fixed in the DNA fixing region 73, a current path is formed in the region 71a between the source region 76 and the drain region 77. Thus, it is also possible to investigate variations in the production of the organic molecule detecting element 70. After the indicator DNA 18 has been immobilized on the DNA immobilization region 73, the immobilized indicator DNA 18 can be quantitatively confirmed before the DNA to be detected is bound by capture.
なお、 第 2実施形態でも、 検出対象の DN Aに対して予め標識を付加する必要 がないため、 作業効率が向上する。 さらに、 検出装置の小型化および簡素化が実 Also in the second embodiment, it is not necessary to add a label to the DNA to be detected in advance, so that the working efficiency is improved. Furthermore, miniaturization and simplification of the detection device have been realized.
,現し、 安価に構成できる。 Therefore, it can be constructed at low cost.
さらに、 有機分子検出素子 70では、 DNA固定領域 7 3へ指標 DNA 1 8を 固定する際、 ゲート領域 78に対してプラスの電圧 (例えば 5 V) を印加してお くことが好ましい。 これにより、 DNA固定領域 73に指標 DNA 1 8を引き寄 せることができ、 指標 DNA 1 8が微量であっても有効に DN A固定領域 73へ 固定化できる。 このとき、 シリコン基板 7 1の電位を調節し、 順方向に電流が流 れないようにすることは言うまでもない。  Furthermore, in the organic molecule detection element 70, it is preferable that a positive voltage (for example, 5 V) be applied to the gate region 78 when the indicator DNA 18 is fixed to the DNA fixing region 73. As a result, the indicator DNA 18 can be attracted to the DNA fixing region 73, and the indicator DNA 18 can be effectively immobilized to the DNA fixing region 73 even if the indicator DNA 18 is in a trace amount. At this time, it goes without saying that the potential of the silicon substrate 71 is adjusted so that no current flows in the forward direction.
(第 3実施形態)  (Third embodiment)
ここでも、 有機分子の 1例である DNAの検出について説明する。 第 3実施形 態の有機分子検出素子 80は、 上述した有機分子検出素子 70と同様、 J一 FE Tと同様の動作特性を有している。 '  Here, the detection of DNA, an example of an organic molecule, will be described. The organic molecule detecting element 80 of the third embodiment has the same operating characteristics as the J-FET as in the case of the organic molecule detecting element 70 described above. '
有機分子検出素子 8 0の構成について説明する。この有機分子検出素子 80は、 図 4 (断面図)に示すように、 シリコン基板 8 1の主面に、 図 3の有機分子検出素 子 70と同様のシリコン酸化膜 1 3と金属膜 14,1 5とシリコン酸化膜 1 6と を形成し、 その上にシリコン窒化膜 82を形成したものである。  The configuration of the organic molecule detection element 80 will be described. As shown in FIG. 4 (cross-sectional view), the organic molecule detection element 80 has a silicon oxide film 13 and a metal film 14, similar to the organic molecule detection element 70 of FIG. 15 and a silicon oxide film 16 are formed, and a silicon nitride film 82 is formed thereon.
また、 有機分子検出素子 80のシリコン基板 8 1 (半導体基板) は、 有機分子 検出素子 70(図 3)のシリコン基板 7 1のゲート領域 78に代えて、 ゲート領域 83 (制御電極領域) を設け、 かつ、 このゲート領域 8 3の表面に、 内部へ向け て V字型の凹部 84を設けたものである。 The silicon substrate 81 (semiconductor substrate) of the organic molecule detection element 80 is provided with a gate region 83 (control electrode region) instead of the gate region 78 of the silicon substrate 71 of the organic molecule detection element 70 (FIG. 3). And into the surface of this gate region 83 V-shaped recess 84 is provided.
そして、 V字型の凹部 84の表面 (シリ コン基板 8 1の主面の一部) に、 指標 DNA 1 8を固定する領域 (以下 「DNA固定領域85」 という) が配置されて いる。 このように、 ゲート領域 8 3の表面に V字型の凹部 84を設け、 そこに D NA固定領域 8 5を配置したのは、 検出感度を確実に向上させるためである。 また、シリ コン屬 7 5のソース領域 76とドレイン領域 77とに挟まれ、かつ、 シリ コン層 7 5のゲート領域 8 3とシリコン層 74とに挟まれた領域 8 1 a (所 定領域) は、 シリコン基板 8 1の内部の領域であり、 電流経路 (チャネル) の形 成領域である。  On the surface of the V-shaped concave portion 84 (part of the main surface of the silicon substrate 81), a region for fixing the index DNA 18 (hereinafter, referred to as “DNA fixing region 85”) is arranged. The reason why the V-shaped concave portion 84 is provided on the surface of the gate region 83 and the DNA fixing region 85 is disposed therein is to surely improve the detection sensitivity. In addition, a region 81 a between the source region 76 and the drain region 77 of the silicon substrate 75 and between the gate region 83 of the silicon layer 75 and the silicon layer 74 (predetermined region) Is a region inside the silicon substrate 81 and a region for forming a current path (channel).
次に、 第 3実施形態の有機分子検出素子 80を製造する工程について、 図 5〜 図 7を用いて説明する。 ここでは、 シリコン層 74が P型、 シリコン層 7 5が N 型の例で説明を行う。  Next, a process of manufacturing the organic molecule detecting element 80 according to the third embodiment will be described with reference to FIGS. Here, an example will be described in which the silicon layer 74 is P-type and the silicon layer 75 is N-type.
まず初めに、 図 5 (a)に示すように、 単結晶のシリ コン層 74の上に単結晶の シリ コン層 75をェピタキシャル成長させて、 シリ コン基板 8 1を形成する。 そ して、 シリコン基板 8 1の主面 (シリ コン層 75の表面) に、 熱酸化法などを用 いてシリコン酸化膜 1 0 1 (図 5(b)) を薄く形成し、 その上にレジス トパター ン 1 02を形成する。  First, as shown in FIG. 5 (a), a single-crystal silicon layer 75 is epitaxially grown on a single-crystal silicon layer 74 to form a silicon substrate 81. Then, a thin silicon oxide film 101 (FIG. 5 (b)) is formed on the main surface of the silicon substrate 81 (the surface of the silicon layer 75) using a thermal oxidation method or the like, and a resist is formed thereon. A top pattern 102 is formed.
次いで、 レジストパターン 1 02をマスクとして、 N型不純物 1 03をイオン 注入法により高濃度に導入する。 その後、 レジストパターン 1 02を除去して清 浄化し、 ァニール処理を施すことで、 シリ コン基板 8 1のシリコン層 75には、 不純物濃度の高い N型のソース領域 76,ドレイン領域 7 7が形成される。  Next, using the resist pattern 102 as a mask, an N-type impurity 103 is introduced at a high concentration by an ion implantation method. Thereafter, the resist pattern 102 is removed and purified, and an annealing process is performed, so that an N-type source region 76 and a drain region 77 having a high impurity concentration are formed in the silicon layer 75 of the silicon substrate 81. Is done.
図 5(b)のように、 薄いシリコン酸化膜 1 0 1を介してイオン注入するため、 シリ コン基板 8 1の主面 (シリ コン層 75の表面) を保護し、 高精度な状態に保 つことができる。 なお、 ソース領域 76,ドレイン領域 7 7の形成には、 厚いシリ コン酸化膜をパターニングし、 これをマスクとして熱による気相拡散法を用いて あよい。  As shown in Fig. 5 (b), the main surface (the surface of the silicon layer 75) of the silicon substrate 81 is protected by ion implantation through the thin silicon oxide film 101, so that a high-precision state is maintained. I can. The source region 76 and the drain region 77 may be formed by patterning a thick silicon oxide film, and using this as a mask by a vapor phase diffusion method using heat.
さらに、シリコン酸化膜 1 0 1の上に別のレジストパターン 1 04を形成し(図 5(c)) 、 このレジス トパターン 1 04をマスクと して、 シリ コン酸化膜 1 0 1 をエッチングする。 次に、 レジス トパターン 1 04除去して清浄化した後、 シリ コン酸化膜 10 1 をマスクとして、 シリ コン基板 8 1の主面 (シリ コン層 7 5の表面) をエツチン グする (図 5(d)) 。 Further, another resist pattern 104 is formed on the silicon oxide film 101 (FIG. 5 (c)), and the silicon oxide film 101 is etched using the resist pattern 104 as a mask. . Next, after removing and cleaning the resist pattern 104, the main surface of the silicon substrate 81 (the surface of the silicon layer 75) is etched using the silicon oxide film 101 as a mask (FIG. 5). (d)).
この場合のエッチングは、 TMAH溶液 (テトラメチルアンモ -ゥムハイド口 オキサイド溶液) などの異方性エッチング液を用いて行われる。 その結果、 シリ コン基板 81の主面 (シリコン層 75の表面) には、 内部へ向けて V字型の凹部 84が形成される。  In this case, the etching is performed using an anisotropic etching solution such as a TMAH solution (a tetramethylammonium-oxide solution). As a result, a V-shaped concave portion 84 is formed on the main surface (the surface of the silicon layer 75) of the silicon substrate 81 toward the inside.
そして次に、 シリコン酸化膜 10 1の上に別のレジストパターン 105を形成 して (図 6(a)) 、 このレジストパターン 1 0 5をマスクとして、 P型不純物 1 06をイオン注入法により高濃度に導入する。 その後のァエール処理により、 シ リ コン基板 8 1のシリ コン層 75 (ソース領域 76,ドレイン領域 77の間の V字 型の凹部 84) には、 不純物濃度の高い P型のゲート領域 83が形成される。 なお、 イオン注入の前に、 凹部 84の表面に薄いシリ コン酸化膜を形成してお くことが好ましい。 薄いシリ コン酸化膜を介してイオン注入すれば、 シリコン基 板 8 1の主面 (シリコン層 75の表面) を保護し、 高精度な状態に保つことがで きるからである。 なお、 ゲート領域 8 3の形成には、 パターニングした厚いシリ コン酸化膜をマスクとして熱による気相拡散法を用いてもよい。  Next, another resist pattern 105 is formed on the silicon oxide film 101 (FIG. 6A), and using this resist pattern 105 as a mask, a P-type impurity 106 is formed by ion implantation. Introduce to concentration. By subsequent aerating, a P-type gate region 83 with a high impurity concentration is formed in the silicon layer 75 (V-shaped recess 84 between the source region 76 and the drain region 77) of the silicon substrate 81. Is done. It is preferable to form a thin silicon oxide film on the surface of the concave portion 84 before the ion implantation. This is because, if ions are implanted through a thin silicon oxide film, the main surface of the silicon substrate 81 (the surface of the silicon layer 75) can be protected and maintained in a highly accurate state. The gate region 83 may be formed by a vapor phase diffusion method using heat using a patterned silicon oxide film as a mask.
次に、 レジストパターン 1 05を除去して清浄化した後、 熱酸化法などを用い てシリコン酸化膜 1 0 1をさらに成長させ、 図 6(b)に示すように、 厚いシリコ ン酸化膜 13を形成する。 このとき、 シリ コン酸化膜 1 3は、 ゲート領域 83の 表面にも形成される。  Next, after removing and cleaning the resist pattern 105, a silicon oxide film 101 is further grown by a thermal oxidation method or the like, and as shown in FIG. To form At this time, the silicon oxide film 13 is also formed on the surface of the gate region 83.
その後、 シリ コン酸化膜 1 3の上にレジス トパターン 1 0 7を形成し (図 6 (c)) 、 これをマスクとしてシリ コン酸化膜 1 3の一部をエッチングする。 この エッチングにより、 シリコン酸化膜 1 3には貫通孔 14 a,l 5 aが形成され、 上 記のソース領域 76,ドレイン領域 77が露出することになる。  Thereafter, a resist pattern 107 is formed on the silicon oxide film 13 (FIG. 6C), and a part of the silicon oxide film 13 is etched using the resist pattern 107 as a mask. Through this etching, through holes 14a and 15a are formed in the silicon oxide film 13, and the above-described source region 76 and drain region 77 are exposed.
次いで、 レジス トパターン 1 07を除去して清浄化した後、 スパッタ装置など を用いて配線用の金属膜を全面に形成する。 そして、 不図示のレジス トパターン をマスクとして金属膜の一部をエッチングし、 図 7(a)に示す金属膜 14, 1 5を 形成する。 金属膜 14,1 5は、 貫通孔 14 a, l 5 aを介してソース領域 76,ド レイン領域 77に電気的に接続されている。 Next, after removing and cleaning the resist pattern 107, a metal film for wiring is formed on the entire surface using a sputtering device or the like. Then, using a resist pattern (not shown) as a mask, a part of the metal film is etched to form the metal films 14 and 15 shown in FIG. 7A. The metal films 14 and 15 are connected to the source region 76 and the drain via the through holes 14a and l5a. It is electrically connected to the rain area 77.
その後、 金属膜 14,1 5上のレジス トパターン (不図示)の除去と清浄化を行つ た後、 シリ コン酸化膜 1 6を全面に形成し (図 7(b)) 、 その上にシリ コン窒化 膜 8 2を全面に形成する。 そして、 シリ コン窒化膜 8 2の上にレジス トパターン 1 08を形成し (図 7(c)) 、 これをマスクとしてシリ コン窒化膜 82,シリ コン 酸化膜 1 3,1 6の一部をエッチングする。 シリ コン酸化膜 1 6は、 P SGなどに よる保護膜である。  Then, after removing and cleaning a resist pattern (not shown) on the metal films 14 and 15, a silicon oxide film 16 is formed on the entire surface (FIG. 7 (b)). A silicon nitride film 82 is formed on the entire surface. Then, a resist pattern 108 is formed on the silicon nitride film 82 (FIG. 7C), and a part of the silicon nitride film 82 and a part of the silicon oxide film 13, 16 are used as a mask. Etch. The silicon oxide film 16 is a protective film made of PSG or the like.
このエッチングにより、 シリコン窒化膜 82,シリコン酸化膜 1 3,1 6には貫 通孔 1 09が形成され、 上記のゲート領域 83が露出することになる。 そして、 レジス トパターン 108の除去と清浄化を行った後、 ゲート領域 8 3の表面とシ リコン窒化膜 82とシリコン酸化膜 1 3,1 6とにより凹部が形成される。 この凹 部の底面は V字型であり、 DN A固定領域 85 (図 4) となる。  Through this etching, a through hole 109 is formed in the silicon nitride film 82 and the silicon oxide films 13 and 16, and the gate region 83 is exposed. Then, after removing and cleaning the resist pattern 108, a concave portion is formed by the surface of the gate region 83, the silicon nitride film 82, and the silicon oxide films 13 and 16. The bottom surface of this concave portion is V-shaped, and serves as a DNA fixing region 85 (FIG. 4).
そして最後に、 V字型の凹部 84の表面 (DNA固定領域8 5) に対してブラ ズマ処理などを施すことにより、 第 3実施形態の有機分子検出素子 80が完成す る。 ちなみに、 DNA固定領域 8 5の周囲は、 シリ コン窒化膜 8 2,シリコン酸化 膜 1 3,1 6で覆われている。  Finally, the surface of the V-shaped concave portion 84 (DNA fixing region 85) is subjected to a plasma treatment or the like, thereby completing the organic molecule detecting element 80 of the third embodiment. Incidentally, the periphery of the DNA fixing region 85 is covered with a silicon nitride film 82 and a silicon oxide film 13, 16.
シリコン窒化膜 8 2は、 シリコン酸化膜に比べて膜構造が密で、 アルカリ金属 (例えばナトリウム) の原子を取り込み難く、 耐薬品性に優れているため、 保護 膜として確実に機能する'。 このシリコン窒化膜 8 2により、 金属膜 14,1 5の劣 化を確実に防止できる。  The silicon nitride film 82 has a denser film structure than the silicon oxide film, is less likely to take in alkali metal (eg, sodium) atoms, and has excellent chemical resistance, and thus functions reliably as a protective film '. With the silicon nitride film 82, deterioration of the metal films 14, 15 can be reliably prevented.
また、 シリコン窒化膜 82には、 シリ コン酸化膜に比べて DNAが付着し難い という特徴がある。 したがって、 DNA固定領域 8 5の周囲に DNAが無駄に付 着することを防止でき、 DNA固定領域 8 5のみに DNAを効率良く付着させる ことができる。  In addition, the silicon nitride film 82 has a feature that DNA is less likely to adhere to the silicon oxide film than the silicon oxide film. Therefore, it is possible to prevent the DNA from being attached unnecessarily around the DNA fixing region 85, and to efficiently attach the DNA only to the DNA fixing region 85.
上記構成の有機分子検出素子 80において、 DNA固定領域 8 5に指標 DNA が固定されると、シリ コン基板 8 1のゲート領域 8 3に隣接する領域 8 1 aには、 指標 DNAの帯電量( 数量)に応じて電流経路が形成される。 また、 指標 DNA に検出対象の DNAが相補結合されると、 領域 8 1 aには、 指標 DNAと検出対 象の DNAとの帯電量 数量)の総量に応じて、 電流経路が形成される。 したがって、 ソース領域 76,ドレイン領域 7 7の間の領域 8 1 aを流れる電流 の量に基づいて、 DNA固定領域 8 5に指標 DNAが固定されたか否かや、 指標 DN Aに検出対象の DN Aが相補結合されたか否かを検出できる。 In the organic molecule detection element 80 having the above configuration, when the indicator DNA is fixed to the DNA fixing region 85, the charge amount of the indicator DNA (the region 81a adjacent to the gate region 83 of the silicon substrate 81) The current path is formed according to the quantity. When the DNA to be detected is complementarily bound to the indicator DNA, a current path is formed in the region 81a according to the total amount of the indicator DNA and the DNA to be detected). Therefore, based on the amount of current flowing in the region 81a between the source region 76 and the drain region 77, whether or not the indicator DNA is fixed in the DNA anchoring region 85, and the DN to be detected is indicated in the indicator DNA. It can be detected whether or not A has been complementarily bound.
さらに、 DNA固定領域 8 5の形状 (ゲート領域 83の表面の形状) を内部に 向けて V字型としたので、 0 固定領域8 5 (ゲート領域 8 3の表面) が平坦 形状の場合と比較して、 検出感度が確実に向上する。 電界の集中により、 僅かな 電位変化でもゲート領域 8 3のチャネルが変化し、 ソース領域 76,ドレイン領域 Furthermore, the shape of the DNA fixing region 85 (the shape of the surface of the gate region 83) is V-shaped with the inside facing, so that the 0 fixing region 85 (the surface of the gate region 83) has a flat shape. As a result, the detection sensitivity is surely improved. Due to the concentration of the electric field, the channel of the gate region 83 changes even with a slight potential change, and the source region 76 and the drain region
77の間の領域 8 1 aを流れる電流の量が大きく変化するからである。 This is because the amount of current flowing in the region 81a during 77 greatly changes.
有機分子検出素子 80を用いて DNAを検出する場合、 有機分子検出素子 80 には、 電源 41と電流計 42 (図 2) が接続される。 そして、 有機分子検出素子 When DNA is detected using the organic molecule detection element 80, a power supply 41 and an ammeter 42 (FIG. 2) are connected to the organic molecule detection element 80. And organic molecule detection element
80のソース領域 76,ドレイン領域 7 7の間に所定の電圧が印加され、シリ コン 層 75の領域 8 1 aに流れる電流量の測定が電流計 42を用いて行われる。 この とき、 ゲート領域 8 3は、 電圧の印加が遮断された状態に保たれる (フローティ ング)。シリコン層 74には、逆バイアスの電圧(シリコン層 75より低い電圧(シ リコン層 75が N型でシリコン層 74が P型の場合)) が印加される。 A predetermined voltage is applied between the source region 76 and the drain region 77 of 80, and the amount of current flowing in the region 81 a of the silicon layer 75 is measured using the ammeter 42. At this time, the gate region 83 is kept in a state where the application of the voltage is cut off (floating). A reverse bias voltage (when the silicon layer 75 is N-type and the silicon layer 74 is P-type) is applied to the silicon layer 74 with a reverse bias voltage.
したがって、 有機分子検出素子 80によれば、 検出対象の DN Aに対して予め 標識 (蛍光物質など)を付加しなくても、 電流計 42によって測定された電流値に 基づいて、 上記した指標 D N Aや検出対象の D N Aを容易に検出することができ る。  Therefore, according to the organic molecule detection element 80, even if a label (such as a fluorescent substance) is not added in advance to the DNA to be detected, the above-described index DNA can be obtained based on the current value measured by the ammeter 42. And the DNA to be detected can be easily detected.
さらに、 有機分子検出素子 80の DNA固定領域 85の形状 (ゲート領域 83 の表面の形状) を内部に向けて V字型としたため、 DNA固定領域 8 5上の指標 DN Aや検出対象の DN Aの帯電量が微少であっても、 その帯電量によって、 ソ ース領域 76,ドレイン領域 77の間の電流経路の幅を効率良く制御でき、高感度 な検出が行える。  Furthermore, since the shape of the DNA fixing region 85 (the shape of the surface of the gate region 83) of the organic molecule detecting element 80 is formed in a V shape toward the inside, the index DNA on the DNA fixing region 85 and the DNA to be detected are determined. Even if the charge amount is very small, the width of the current path between the source region 76 and the drain region 77 can be efficiently controlled by the charge amount, and highly sensitive detection can be performed.
また、 有機分子検出素子 80では、 DNA固定領域 8 5に何も固定されていな い場合でも、 ソース領域 7 6,ドレイン領域 77の間の領域 8 1 aに電流経路が形 成されるため、 この状態で、 有機分子検出素子 80の製造時のバラツキを調査で きる。 指標 DNAを DNA固定領域 8 5に固定させた後で、 検出対象の DNAを 相補結合させる前に、 固定された指標 DNAの定量的な確認もできる。 なお、 第 3実施形態でも、 検出対象の DN Aに対して予め標識を付加する必要 がないため、 作業効率が向上する。 さらに、 検出装置の小型化および簡素化が実 現し、 安価に構成できる。 Further, in the organic molecule detection element 80, even when nothing is fixed to the DNA fixing region 85, a current path is formed in the region 81a between the source region 76 and the drain region 77, In this state, variations in the production of the organic molecule detection element 80 can be investigated. After the indicator DNA is immobilized on the DNA fixing region 85, the immobilized indicator DNA can be quantitatively confirmed before the DNA to be detected is complementarily bound. Also in the third embodiment, it is not necessary to add a label to the DNA to be detected in advance, so that the working efficiency is improved. Further, downsizing and simplification of the detection device are realized, and the configuration can be made at a low cost.
さらに、 有機分子検出素子 80では、 DNA固定領域 8 5へ指標 DNAを固定 する際、 ゲート領域 8 3に対してプラスの電圧 (例えば 5V) を印加しておくこ とが好ましい。 これにより、 DN A固定領域 8 5に指標 DN Aを引き寄せること ができ、指標 DN Aが微量であっても有効に DN A固定領域 8 5へ固定化できる。 このとき、 シリコン基板 8 1の電位を調節し、 順方向に電流が流れないようにす ることは言うまでもない。  Further, in the organic molecule detection element 80, it is preferable to apply a positive voltage (for example, 5 V) to the gate region 83 when fixing the indicator DNA to the DNA fixing region 85. As a result, the index DNA can be attracted to the DNA fixed region 85, and even if the index DNA is very small, it can be effectively immobilized to the DNA fixed region 85. At this time, it goes without saying that the potential of the silicon substrate 81 is adjusted so that no current flows in the forward direction.
また、 有機分子検出素子 8 0では、 シリコン基板 8 1の内部 (つまりバルク內 部) の領域 8 1 aに電流経路が形成されるため、 素子表面の影響などを受けて電 流経路にノイズが発生するようなことはない。 その結果、 上記の DN A検出を正 確に行うことが可能となる。  In addition, in the organic molecule detection element 80, since a current path is formed in the area 81a inside the silicon substrate 81 (that is, the bulk part), noise is generated in the current path due to the influence of the element surface and the like. Nothing happens. As a result, the above-described DNA detection can be performed accurately.
さらに、 DNA固定領域 8 5 (ゲート領域 8 3の表面) がハイブリダィゼーシ ヨンなどの薬品処理などにより汚染されても、 バルタ内部の領域 8 1 a (電流経 路の形成領域) が変質により劣化する可能性はほとんどなく、 常に正確な DN A 検出を行うことができる。  Furthermore, even if the DNA immobilization region 85 (the surface of the gate region 83) is contaminated by chemical treatment such as hybridization, etc., the region 81a (the region where the current path is formed) inside the balta is altered. There is almost no possibility of deterioration, and accurate DNA detection can always be performed.
なお、 上記した第 3実施形態では、 図 5(d),図 6(a)に示すように、 シリコン 層 7 5をエッチングして V字型の凹部 84を形成した後で、 その凹部 84にゲー ト領域 8 3を形成したが、 この手順は逆でも構わない。  In the third embodiment, as shown in FIGS. 5D and 6A, after the silicon layer 75 is etched to form a V-shaped concave portion 84, the V-shaped concave portion 84 is formed. The gate region 83 was formed, but this procedure may be reversed.
また、 上述した第 2実施^^態の有機分子検出素子 70と同様、 DNA固定領域 8 5の上に DNA固定用の金属薄膜を形成しても良い。 この場合、 DNA固定領 域 8 5は金属薄膜の表面に配置される。 その結果、 検出感度がさらに向上する。 (第 4実施形態)  Further, similarly to the organic molecule detecting element 70 of the second embodiment described above, a metal thin film for fixing DNA may be formed on the DNA fixing region 85. In this case, the DNA fixing region 85 is disposed on the surface of the metal thin film. As a result, the detection sensitivity is further improved. (Fourth embodiment)
ここでも、 有機分子の 1例である DNAの検出について説明する。 第 4実施形 態の有機分子検出素子 90は、 上述した有機分子検出素子 70,80と同様、 J一 F E Tと同様の動作特性を有している。  Here, the detection of DNA, an example of an organic molecule, will be described. The organic molecule detecting element 90 of the fourth embodiment has the same operating characteristics as the J-FET, similarly to the organic molecule detecting elements 70 and 80 described above.
有機分子検出素子 90の構成について説明する。 有機分子検出素子 90は、 図 8 (断面図)に示すように、 シリコン基板 9 1の主面 (ここではシリコン層 74の 表面) に、 図 4の有機分子検出素子 80の凹部 84と同様の凹部 9 2を設け、 か つ、 この主面とは反対側に、 図 3の有機分子検出素子 70と同様のシリ コン酸化 膜 1 3と金属膜 14,1 5とシリ コン酸化膜 1 6とを形成したものである。 The configuration of the organic molecule detection element 90 will be described. As shown in FIG. 8 (cross-sectional view), the organic molecule detecting element 90 has a main surface of a silicon substrate 91 (here, the silicon layer 74 The front surface) is provided with a concave portion 92 similar to the concave portion 84 of the organic molecule detecting element 80 in FIG. 4, and on the side opposite to the main surface, a silicon oxide similar to the organic molecule detecting element 70 in FIG. A film 13, metal films 14 and 15, and a silicon oxide film 16 are formed.
シリ コン層 74 (制御電極領域) の表面のうち、 凹部 9 2の位置は、 シリコン 層 7 5のゲート領域 78と対向する位置である。 有機分子検出素子 90の凹部 9 2も、 内部へ向けて V字型となっている。 そして、 シリ コン層 74の表面 (V字 型の凹部 92の表面も含む) に、 指標 DNAを固定する領域 (以下 「DNA固定 領域 9 3」 という) が配置される。  In the surface of the silicon layer 74 (control electrode region), the position of the concave portion 92 is a position facing the gate region 78 of the silicon layer 75. The concave portion 92 of the organic molecule detecting element 90 is also V-shaped toward the inside. Then, on the surface of the silicon layer 74 (including the surface of the V-shaped concave portion 92), a region for fixing the index DNA (hereinafter, referred to as “DNA fixing region 93”) is arranged.
このため、 第 4実施形態の有機分子検出素子 90では、 シリコン基板 9 1のシ リコン層 7 5に形成されたソース領域 7 6,ドレイン領域 7 7,ゲート領域 78 (トランジスタ部) 力 DNA固定領域 9 3とは反対側の主面近傍に配置された ことになる。  Therefore, in the organic molecule detecting element 90 of the fourth embodiment, the source region 76, the drain region 77, the gate region 78 (transistor portion) formed in the silicon layer 75 of the silicon substrate 91 This means that it is located near the main surface on the opposite side from 93.
また、 シリコン基板 9 1の主面 (シリ コン層 74の表面) のうちゲート領域 7 8と対向する位置に V字型の凹部 9 2を設け、 この回部 9 2の表面を含むシリコ ン層 74の表面に DNA固定領域 9 3を配置したのは、 検出感度を確実に向上さ せるためである。  In addition, a V-shaped recess 92 is provided at a position facing the gate region 78 on the main surface of the silicon substrate 91 (the surface of the silicon layer 74), and the silicon layer including the surface of the loop 92 is provided. The reason why the DNA fixing region 93 is arranged on the surface of 74 is to surely improve the detection sensitivity.
さらに、 シリコン基板 9 1の主面 (シリ コン層 74の表面) のうち、 DNA固 定領域 9 3の周囲には、シリコン酸化膜 94とシリコン窒化膜 9 5とが形成され、 広い DN A固定領域 9 3が確保されている。  In addition, a silicon oxide film 94 and a silicon nitride film 95 are formed around the DNA fixing region 93 on the main surface of the silicon substrate 91 (the surface of the silicon layer 74), and a wide DNA is fixed. Area 93 is reserved.
シリ コン層 75のソース領域 76とドレイン領域 77とに挟まれ、 かつ、 シリ コン層 7 5のグート領域 78とシリ コン層 74とに挟まれた領域 9 1 a (所定領 域) は、 シリ コン基板 9 1の内部の領域であり、 電流経路 (チャネル) の形成領 域である。  A region 91 a (predetermined region) sandwiched between the source region 76 and the drain region 77 of the silicon layer 75 and between the gut region 78 and the silicon layer 74 of the silicon layer 75 is formed of silicon. This is an area inside the circuit board 91 and an area for forming a current path (channel).
また、 有機分子検出素子 9 0のソース領域 7 6,ドレイン領域 77,グート領域 78に接続された配線用の金属膜 14,1 5,9 6は、 何れもシリ コン酸化膜 1 6 によって全体的に覆われている。 さらに、 シリ コン酸化膜 1 6の上には、 不図示 の厚い保護基板 (例えばシリ コンウェハやガラス基板など) が接合されている。 さらに、 有機分子検出素子 90のシリ コン基板 9 1の内部には、 DNA固定領 域 9 3側の主面 (表面)から反対側の主面 (裏面)まで連続的に、誘電体分離層 9 7が 形成されている。 この誘電体分離層 9 7は、 熱酸化膜などであり、 シリ コン層 9 1(74と 75) (制御電極領域) を電気的に分離させるための層である。 In addition, the metal films 14, 15, and 96 connected to the source region 76, the drain region 77, and the gut region 78 of the organic molecule detection element 90 are all formed by the silicon oxide film 16 as a whole. Covered in. Furthermore, a thick protective substrate (not shown) (for example, a silicon wafer or a glass substrate) is bonded on the silicon oxide film 16. Further, inside the silicon substrate 91 of the organic molecule detection element 90, the dielectric separation layer 9 is continuously formed from the main surface (front surface) on the DNA fixing region 93 side to the main surface (back surface) on the opposite side. 7 is Is formed. The dielectric isolation layer 97 is a thermal oxide film or the like, and is a layer for electrically isolating the silicon layers 91 (74 and 75) (control electrode regions).
ここで、 第 4実施形態の有機分子検出素子 90を製造する工程について、 簡単 に説明する。 ここでも、 シリコン層 74が P型、 シリコン層 7 5が N型の例で説 明を行う。  Here, a process of manufacturing the organic molecule detecting element 90 of the fourth embodiment will be briefly described. Here, the description will be given by taking an example in which the silicon layer 74 is P-type and the silicon layer 75 is N-type.
(1) 通常の J一 FETを形成した後の状態 (つまり、 シリ コン基板 9 1にソ ース領域 76,ドレイン領域 7 7,ゲート領域 78,誘電体分離層 9 7を形成し、 さ らに、シリコン酸化膜 1 3と金属膜 14,1 5とシリコン酸化膜 1 6とを形成した 後の状態) で、 シリ コン酸化膜 1 6の上に保護基板 (不図示)を接合し、 この状態 でシリ コン基板 8 1のシリコン層 74を研磨して薄くする。  (1) The state after the formation of a normal J-FET (that is, the source region 76, the drain region 77, the gate region 78, and the dielectric isolation layer 97 are formed on the silicon substrate 91, and After the silicon oxide film 13, the metal films 14 and 15, and the silicon oxide film 16 have been formed, a protective substrate (not shown) is bonded on the silicon oxide film 16. In this state, the silicon layer 74 of the silicon substrate 81 is polished and thinned.
(2) そして次に、 研磨後のシリ コン層 74の表面にシリ コン酸化膜 94を全 面に形成し、 その上にシリコン窒化膜 9 5を全面に形成する。 さらに、 シリコン 窒化膜 9 5の上にレジストパターンを形成し、 これをマスクとしてシリコン酸化 膜 94とシリコン窒化膜 9 5の一部をエッチングする。  (2) Then, a silicon oxide film 94 is formed on the entire surface of the polished silicon layer 74, and a silicon nitride film 95 is formed on the entire surface. Further, a resist pattern is formed on the silicon nitride film 95, and the silicon oxide film 94 and a part of the silicon nitride film 95 are etched using the resist pattern as a mask.
その結果、 シリコン酸化膜 94とシリコン窒化膜 9 5には小さな貫通孔が形成 され、 シリコン層 74の一部が露出することになる。 このときの露出部分は、 シ リコン層 75のゲート領域 78のみと対向するような狭い領域であり、 V字型の 凹部 9 2の形成に用いられる。  As a result, small through holes are formed in the silicon oxide film 94 and the silicon nitride film 95, and a part of the silicon layer 74 is exposed. The exposed portion at this time is a narrow region facing only the gate region 78 of the silicon layer 75, and is used for forming the V-shaped concave portion 92.
(3) その後、 レジス トパターンの除去と清浄化を行い、 シリ コン窒化膜 9 5 をマスクとして、 シリ コン基板 9 1の主面 (シリ コン層 74の表面) をエツチン グする。 この場合のエッチングは、 TMAH溶液などの異方性エッチング液を用 いて行われる。 その結果、 シリ コン基板 9 1の主面 (シリ コン層 74の表面) に は、 内部へ向けて V字型の凹部 92が形成される。  (3) After that, the resist pattern is removed and cleaned, and the main surface (the surface of the silicon layer 74) of the silicon substrate 91 is etched using the silicon nitride film 95 as a mask. Etching in this case is performed using an anisotropic etching solution such as a TMAH solution. As a result, a V-shaped concave portion 92 is formed on the main surface of the silicon substrate 91 (the surface of the silicon layer 74) toward the inside.
(4) 次いで、 凹部 9 2の表面に薄いシリ コン酸化膜を形成し、 シリ コン窒化 膜 9 5の上に別のレジストパターンを形成し、 これをマスクとして、 P型不純物 をイオン注入法により高濃度に導入する。 その後のァニール処理により、 シリコ ン基板 9 1のシリコン層 74の凹部 9 2には、 不純物濃度の高い P型の領域が形 成される。  (4) Next, a thin silicon oxide film is formed on the surface of the concave portion 92, another resist pattern is formed on the silicon nitride film 95, and using this as a mask, a P-type impurity is ion-implanted. Introduce to high concentration. By a subsequent annealing process, a P-type region having a high impurity concentration is formed in the concave portion 92 of the silicon layer 74 of the silicon substrate 91.
(5) その後、 イオン注入時のレジストパターンの除去と清浄化を行い、 シリ コン窒化膜 9 5の上に別のレジストパターンを形成して、 これをマスクとしてシ リコン酸化膜 94とシリコン窒化膜 9 5の一部をエッチングする。 (5) After that, the resist pattern is removed and cleaned at the time of ion implantation. Another resist pattern is formed on the silicon nitride film 95, and the silicon oxide film 94 and a part of the silicon nitride film 95 are etched using this as a mask.
その結果、 シリコン酸化膜 94とシリコン窒化膜 95には大きな貫通孔が形成 され、 シリコン層 74の一部がさらに露出することになる。 そして、 レジストパ ターンの除去と清浄化を行った後、 シリ コン層 74の表面とシリ コン酸化膜 94 とシリコン窒化膜 9 5とにより凹部が形成される。 この凹部の底面には V字型の 凹部 9 2も含まれ、 このときの露出部分の全体が DN A固定領域 9 3として利用 される。  As a result, large through holes are formed in the silicon oxide film 94 and the silicon nitride film 95, and a part of the silicon layer 74 is further exposed. Then, after removing and cleaning the resist pattern, a concave portion is formed by the surface of the silicon layer 74, the silicon oxide film 94, and the silicon nitride film 95. The bottom of the recess also includes a V-shaped recess 92, and the entire exposed portion at this time is used as a DNA fixing region 93.
(6) そして最後に、 DNA固定領域 9 3 (V字型の凹部 9 2の表面を含むシ リコン層 74の表面) に対してプラズマ処理などを施すことにより、 第 4実施形 態の有機分子検出素子 90が完成する。ちなみに、 DN A固定領域 9 3の周囲は、 シリコン窒化膜 95,シリコン酸化膜 94で覆われている。  (6) Finally, by subjecting the DNA fixing region 93 (the surface of the silicon layer 74 including the surface of the V-shaped concave portion 92) to plasma treatment or the like, the organic molecule of the fourth embodiment is obtained. The detection element 90 is completed. Incidentally, the periphery of the DNA fixing region 93 is covered with a silicon nitride film 95 and a silicon oxide film 94.
有機分子検出素子 90の製造工程で、 シリコン層 74を研磨により薄くする理 由は、 DNA固定領域 9 3と領域 9 1 a (電流経路の形成領域) との距離を小さ くすることにより、 DNA検出感度を向上させるためである。  The reason that the silicon layer 74 is thinned by polishing in the manufacturing process of the organic molecule detection element 90 is that the distance between the DNA fixing region 93 and the region 91 a (current path forming region) is reduced, so that the DNA layer is thinned. This is for improving the detection sensitivity.
この有機分子検出素子 90では、 シリ コン層 74がゲートとして機能し、 ゲー ト領域 78がバックゲートとして機能することになる。 このため、 有機分子検出 素子 90を用いた DN A検出時、 シリ コン層 74は、 電圧の印加が遮断された状 態に保たれる (フローティング) 。 ゲート領域 78には、 逆バイアスの電圧 (シ リコン層 75より低い電圧) が印加される。  In this organic molecule detection element 90, the silicon layer 74 functions as a gate, and the gate region 78 functions as a back gate. Therefore, at the time of DNA detection using the organic molecule detection element 90, the silicon layer 74 is kept in a state where the application of the voltage is cut off (floating). A reverse bias voltage (a voltage lower than that of the silicon layer 75) is applied to the gate region 78.
したがって、有機分子検出素子 9 0でも、 J一 FETと同様の動作特性により、 DN A固定領域 93に適量の指標 DN Aが固定されたか否かを確認したり、 検出 対象の DN Aが相補結合されたか否かを検出することができる。  Therefore, even with the organic molecule detection element 90, it is possible to confirm whether or not an appropriate amount of the index DNA is fixed in the DNA fixing area 93 by using the same operating characteristics as the J-FET, or to complement the DNA to be detected with complementary binding. It can be detected whether or not it has been performed.
さらに、 DNA固定領域 9 3のうちゲート領域 78と対向する部分の形状 (シ リコン層 74の表面の形状) を内部に向けて V字型としたので、 DNA固定領域 93 (シリコン層 74の表面) が平坦形状の場合と比較して、 検出感度が確実に 向上する。  Further, since the shape of the portion of the DNA fixing region 93 facing the gate region 78 (the shape of the surface of the silicon layer 74) is formed in a V shape toward the inside, the DNA fixing region 93 (the surface of the silicon layer 74) is formed. ) The detection sensitivity is surely improved as compared with the case where is flat.
すなわち、 DNA固定領域 9 3上の指標 DNAや検出対象の DNAの帯電量が 微少であっても、 電界の集中によって、 ソース領域 76,ドレイン領域 7 7間 (領 域 9 l a) の電流経路の幅を効率良く制御でき、 高感度な検出が行える。 In other words, even if the amount of charge of the indicator DNA or the DNA to be detected on the DNA fixing region 93 is very small, the concentration of the electric field causes the source region 76 and the drain region 77 (region The width of the current path in the area 9 la) can be controlled efficiently, and highly sensitive detection can be performed.
また、 DNA固定領域 9 3に何も固定されない状態で、 有機分子検出素子 90 の製造時のバラツキを調査することもできる。 指標 DNAを DNA固定領域 93 に固定させた状態で (検出対象の DNAの相補結合前) 、 指標 DNAを定量的に 確認することもできる。  In addition, when nothing is fixed to the DNA fixing region 93, it is possible to investigate the variation in manufacturing the organic molecule detecting element 90. With the indicator DNA fixed to the DNA fixing region 93 (before the complementary binding of the DNA to be detected), the indicator DNA can be quantitatively confirmed.
なお、 第 4実施形態でも、 検出対象の DNAに対して予め標識を付加する必要 がないため、 作業効率が向上する。 さらに、 検出装置の小型化および簡素化が実 現し、 安価に構成できる。  In the fourth embodiment as well, since it is not necessary to add a label to the DNA to be detected in advance, the working efficiency is improved. Further, downsizing and simplification of the detection device are realized, and the configuration can be made at a low cost.
さらに、 有機分子検出素子 9 0では、 DNA固定領域 9 3へ指標 DNAを固定 する際、 不図示の配線回路を用いて、 シリ コン層 74に対してプラスの電圧 (例 えば 5 V) を印加しておくことが好ましい。 これにより、 DN A固定領域 93に 指標 D N Aを引き寄せることができ、 指標 D N Aが微量であっても有効に D N A 固定領域 93へ固定化できる。 このとき、 順方向に電流が流れないように、 シリ コン層 7 5に印加するバイアス電圧に注意することは言うまでもない。  Further, in the organic molecule detection element 90, when fixing the indicator DNA to the DNA fixing region 93, a positive voltage (for example, 5 V) is applied to the silicon layer 74 using a wiring circuit (not shown). It is preferable to keep it. As a result, the index DNA can be attracted to the DNA fixed region 93, and even if the amount of the index DNA is very small, it can be effectively immobilized to the DNA fixed region 93. At this time, it is needless to say that the bias voltage applied to the silicon layer 75 should be paid so that the current does not flow in the forward direction.
また、 有機分子検出素子 90でも、 シリ コン基板 9 1の内部 (つまりバルタ内 部) の領域 9 1 aに電流経路が形成されるため、 素子表面の影響などを受けて電 流経路にノイズが発生するようなことはなく、 上記の DN A検出を正確に行うこ とができる。  Also, in the organic molecule detection element 90, since a current path is formed in the region 91a inside the silicon substrate 91 (that is, inside the balta), noise is generated in the current path due to the influence of the element surface and the like. This does not occur, and the above-mentioned DNA detection can be performed accurately.
さらに、 DN A固定領域 9 3 (シリ コン層 74の表面) がハイプリダイゼーシ ヨンなどの薬品処理などにより汚染されても、 バルタ内部の領域 9 1 a (電流経 路の形成領域) が変質により劣化することはなく、 常に正確な DNA検出を行う ことができる。  Furthermore, even if the DNA fixed region 93 (the surface of the silicon layer 74) is contaminated by chemical treatment such as hybridization, the region 91a inside the balta (current path forming region) is deteriorated. It does not cause deterioration and can always perform accurate DNA detection.
また、 有機分子検出素子 9 0のトランジスタ部(76〜78)側の主面が保護基 板 (不図示)で封止され、 ハイプリダイゼーションなどの薬品処理によって汚染さ れることはない。 したがって、 有機分子検出素子 90の薬品に対する耐久性が格 段に向上する。  In addition, the main surface of the organic molecule detecting element 90 on the transistor section (76 to 78) side is sealed with a protective substrate (not shown), and is not contaminated by chemical treatment such as hybridization. Therefore, the durability of the organic molecule detection element 90 against chemicals is significantly improved.
さらに、 DNA固定領域 9 3の周囲にシリコン窒化膜 9 5を形成したため、 D NA固定領域 9 3の周囲に DNAが無駄に付着することを防止でき、 DNA固定 領域 9 3のみに DN Aを効率良く付着させることができる。 なお、 配線用の金属膜 14,1 5,9 6および保護基板の接合剤としては、 有機 分子検出素子 90の製造工程のうち、 ァニールや酸化などの高温工程にも耐え得 るような高融点の材料を選択することが好ましい。 例えば、 金属膜 14, 1 5, 9 6には、 T i (チタン)や W (タングステン)などを用い、 接合剤には、 無機系の接着 剤を用いることが好ましい。 また、 保護基板の接合は、 陽極接合法を用いて行つ てもよい。 さらに、 保護基板に代えて、 トランジスタ部(76〜 78)側の主面を 熱工程後に樹脂で覆ってもよい。 Furthermore, since a silicon nitride film 95 is formed around the DNA fixing region 93, it is possible to prevent DNA from being attached unnecessarily around the DNA fixing region 93, and it is possible to efficiently use DNA only in the DNA fixing region 93. Can adhere well. The bonding agent for the wiring metal films 14, 15 and 96 and the protective substrate is a high melting point that can withstand high-temperature steps such as annealing and oxidation in the manufacturing process of the organic molecule detection element 90. It is preferable to select the material described above. For example, it is preferable to use Ti (titanium) or W (tungsten) for the metal films 14, 15 and 96, and to use an inorganic adhesive as a bonding agent. Further, the bonding of the protective substrate may be performed using an anodic bonding method. Further, instead of the protection substrate, the main surface on the transistor section (76 to 78) side may be covered with a resin after the heating step.
また、 上記した実施形態ではシリ コン窒化膜を用いたが、 シリ コン窒化膜の他 に、 DNAをはじくような性質の膜 (DNA分離膜) があれば、 この DNA分離 膜をシリコン窒化膜の代わりに形成しても、 同様の効果を得ることができる。  In the above embodiment, a silicon nitride film is used. However, if there is a film (DNA separation film) having a property of repelling DNA in addition to the silicon nitride film, this DNA separation film is replaced with a silicon nitride film. The same effect can be obtained by forming instead.
さらに、 上述した有機分子検出素子 70と同様、 DNA固定領域 93の上に D NA固定用の金属薄膜を形成しても良い。 この場合、 DNA固定領域 93は金属 薄膜の表面に配置される。 その結果、 検出感度がさらに向上する。  Further, similarly to the above-described organic molecule detection element 70, a metal thin film for fixing DNA may be formed on the DNA fixing region 93. In this case, the DNA fixing region 93 is disposed on the surface of the metal thin film. As a result, the detection sensitivity is further improved.
(変形例)  (Modification)
上記した実施形態では、 DNA固定領域 (例えば 1 9)と、 これに対応する電流 経路の形成領域 (例えば 1 1 a)と、 トランジスタ部 (例えば 2 1 , 22 )と、 配線用 の金属膜 (例えば 1 4,1 5)を備えたセルが、 1個だけ配された有機分子検出素子 (例えば 10)を例に説明したが、 複数のセルを 2次元的にマトリクス配置しても 良い。  In the embodiment described above, the DNA fixing region (for example, 19), the corresponding current path forming region (for example, 11a), the transistor unit (for example, 21 and 22), and the metal film for wiring (for example, For example, although an organic molecule detection element (for example, 10) in which only one cell having (14, 15) is provided has been described as an example, a plurality of cells may be two-dimensionally arranged in a matrix.
ただし、 この場合には、 シリ コン基板上で個々のセルを電気的に分離させるた め、 シリコン基板の内部に熱酸化膜などなど誘電体分離層 (例えば図 8の 97参 照) を設けることが好ましい。  However, in this case, in order to electrically separate the individual cells on the silicon substrate, a dielectric separation layer such as a thermal oxide film (for example, see 97 in FIG. 8) must be provided inside the silicon substrate. Is preferred.
複数のセルを備えた有機分子検出素子によれば、 同時に複数の DN Aを検出す ることができ、 作業時間の短縮やコス トの低減を図ることができる。 この場合、 複数のセルには、 同じ種類の DNAを付けても、 異なる種類の DNAを付けても よい。  According to the organic molecule detection device having a plurality of cells, a plurality of DNAs can be detected at the same time, and thus the working time and cost can be reduced. In this case, the same type of DNA or different types of DNA may be attached to a plurality of cells.
異なる種類の D N Aを複数のセルに付ける場合には、 1種類ずつ順に付けてい くことになるため、 ある種類の DNAを付けたい特定セルの DNA固定領域に対 してプラスの電圧を印加すると共に、 その他のセルの DNA固定領域にはマイナ スの電圧を印加しておくことが好ましい。 これにより、 プラスの電圧が印加され た D N A固定領域のみに D N Aを引き寄せることができ、 微量の D N Aを特定セ ルに選択的に固定化できる。 If different types of DNA are to be attached to multiple cells, they must be attached one by one, so that a positive voltage should be applied to the DNA fixed region of a specific cell to which a certain type of DNA is to be attached. , Minor DNA fixation region in other cells It is preferable to apply a voltage of the source. As a result, DNA can be attracted only to the DNA fixing region to which the positive voltage has been applied, and a trace amount of DNA can be selectively immobilized on a specific cell.
また、 複数のセルを備えた有機分子検出素子において、 各々のセルの D N A固 定領域に何も付けない状態で、 電流経路の形成領域 (例えば 1 1 a )を流れる電流 量を測定することにより、 セル間の個体差 (バラツキ)を確認することができる。 そして、 バックゲートとして機能する領域に対し、 セル間の個体差を考慮した 所望の電圧をそれぞれ印加することにより、その個体差を捕正することもできる。 この補正により、 電流経路の幅を予め適切に (例えば均一に) 制御することがで きる。 なお、 セル間の個体差を考慮して適切なバックゲートへの印加電圧値 (例 えば平均値) を求め、 これを全体的に印加するようにしてもよい。  In addition, in an organic molecule detection device equipped with multiple cells, by measuring the amount of current flowing through the current path formation region (for example, 11a) with nothing attached to the DNA fixed region of each cell. The individual difference (variation) between cells can be confirmed. Then, by applying a desired voltage in consideration of individual differences between cells to the region functioning as a back gate, the individual differences can be corrected. By this correction, the width of the current path can be controlled appropriately (eg, uniformly) in advance. Note that an appropriate voltage value (for example, an average value) to be applied to the back gate may be obtained in consideration of individual differences between cells, and this may be applied as a whole.
さらに、 上記した第 2〜第 4実施形態では、 電流経路の形成領域を挟んで、 2 つのゲート領域 (例えばシリ コン層 7 4 ,ゲート領域 7 8 ) を対向配置させたが、 3つ以上のゲート領域を同様に対向配置させてもよい。 また、 ゲート領域を筒状 に構成してもよい。  Further, in the above-described second to fourth embodiments, two gate regions (for example, a silicon layer 74 and a gate region 78) are opposed to each other with the current path forming region interposed therebetween. The gate regions may likewise be opposed. Further, the gate region may be formed in a cylindrical shape.
また、 上記した全ての実施形態では、 シリコン基板を用いた有機分子検出素子 を説明したが、シリ コン基板に代えて各種の半導体基板を用いることができる(例 えば G a A s ) 。  Further, in all the embodiments described above, the organic molecule detecting element using the silicon substrate has been described, but various semiconductor substrates can be used instead of the silicon substrate (for example, GaAs).
さらに、 検出対象の D N Aを指標 D N Aに相補結合させる前に、 検出対象の D N Aに対して何らかの標識 (蛍光物質や放射性同位体など)を付加すると、 上記し た電気的測定と同時または別のタイミングで、 他の装置 (蛍光顕微鏡,蛍光計測装 置や放射性同位体検出装置など)を用い、標識の付加状態を光学的に測定すること ができ、 D N Aの検出精度が向上する。  Furthermore, if a label (fluorescent substance, radioisotope, etc.) is added to the DNA to be detected before the DNA to be detected is complementarily bound to the indicator DNA, the timing may be the same as or different from the electrical measurement described above By using other devices (such as a fluorescence microscope, a fluorescence measurement device, and a radioisotope detection device), the added state of the label can be optically measured, and the detection accuracy of DNA is improved.
また、 上記した全ての実施形態では、 電源 4 1 ,電流計 4 2を用いて測定を行つ たが、 電源 4 1 (定電圧源) に代えて定電流源を用いると共に、 電流計 4 2に代 えて電圧計を用い、 配線用の金属膜 1 4,1 5間の電圧を測定した場合でも、 同様 の解析を行うことができる。  In all the above embodiments, the measurement was performed using the power supply 41 and the ammeter 42. However, instead of using the power supply 41 (constant voltage source), a constant current source was used. A similar analysis can be performed when a voltage is measured between the wiring metal films 14 and 15 using a voltmeter instead of the voltmeter.
さらに、 上記した全ての実施形態では、 D N Aを検出する例を説明したが、 そ の他の R N Aやたんぱく質や核酸や塩基類などの帯電している有機分子について、 同様の検査を行える。 産業上の利用の可能性 Further, in all of the embodiments described above, examples of detecting DNA have been described.However, for other charged organic molecules such as RNA, proteins, nucleic acids, and bases, A similar test can be performed. Industrial potential
本発明によれば、 作業効率の向上と検出装置の小型化および簡素化とを実現で きると共に、 検出感度を向上させることもできる。  ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, while improving an operation efficiency and miniaturizing and simplifying a detection apparatus, it is also possible to improve detection sensitivity.

Claims

.請求の範囲 .The scope of the claims
( 1 ) 半導体基板の主面に一対の電極領域を設け、 (1) providing a pair of electrode regions on the main surface of the semiconductor substrate,
前記主面に形成された絶縁膜と、  An insulating film formed on the main surface;
前記絶縁膜を介して前記電極領域の間の前記主面側の所定領域を覆うように形 成された金属膜と、  A metal film formed so as to cover a predetermined region on the main surface side between the electrode regions via the insulating film;
前記金属膜の表面に配置された有機分子の固定領域とを含み、  Including a fixed region of organic molecules disposed on the surface of the metal film,
前記所定領域には、少なくとも前記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、 該固定された有機分子の帯電量に応じて電流経路が形成される  When the organic molecule is fixed to at least the fixed region, a current path is formed in the predetermined region according to the charge amount of the fixed organic molecule.
ことを特徴とする有機分子検出素子。  An organic molecule detecting element, characterized by comprising:
( 2 ) 請求項 1に記載の有機分子検出素子において、  (2) The organic molecule detecting element according to claim 1,
前記金属膜の表面の面積は、 前記所定領域の前記主面内での面積より大きい ことを特徴とする有機分子検出素子。  An organic molecule detection element, wherein an area of a surface of the metal film is larger than an area of the predetermined region in the main surface.
( 3 ) 半導体基板の主面に一対の電極領域を設け、  (3) providing a pair of electrode regions on the main surface of the semiconductor substrate,
前記主面に形成された金属膜と、  A metal film formed on the main surface;
前記金属膜の表面に配置された有機分子の固定領城とを含み、  Including a fixed region of organic molecules disposed on the surface of the metal film,
前記半導体基板は、 前記電極領域の間の前記主面側に制御電極領域を有し、 前記金属膜は、 前記制御電極領域を覆うように形成され、 かつ、 前記金属膜の 表面の面積が前記制御電極領域の前記主面内での面積より大きく、  The semiconductor substrate has a control electrode region on the main surface side between the electrode regions, the metal film is formed so as to cover the control electrode region, and the surface area of the metal film is Larger than the area of the control electrode region in the main surface,
前記電極領域の間で前記制御電極領域に隣接する所定領域には、 少なくとも前 記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、 該固定された有機分子の帯電量に 応じて電流経路が形成される  In the predetermined region adjacent to the control electrode region between the electrode regions, at least when the organic molecule is fixed to the fixed region, a current path is formed according to the charge amount of the fixed organic molecule. To
ことを特徴とする有機分子検出素子。  An organic molecule detecting element, characterized by comprising:
( 4 ) 半導体基板の主面に一対の電極領域を設け、  (4) providing a pair of electrode regions on the main surface of the semiconductor substrate,
前記主面に配置された有機分子の固定領域を含み、  Including a fixed region of organic molecules arranged on the main surface,
前記半導体基板は、 前記電極領域の間の前記主面側に制御電極領域を有し、 か つ、 前記制御電極領域の表面に内部へ向けて V字型の凹部を有し、  The semiconductor substrate has a control electrode region on the main surface side between the electrode regions, and has a V-shaped concave portion facing inward on a surface of the control electrode region,
前記固定領域は、 前記 V字型の凹部に配置され、  The fixing region is disposed in the V-shaped recess,
前記電極領域の間で前記制御電極領域に隣接する所定領域には、 少なくとも前 記固定領域に前記有機分子が固定されたとき、 該固定された有機分子の帯電量に 応じて電流経路が形成される A predetermined area adjacent to the control electrode area between the electrode areas includes at least a front area. When the organic molecules are fixed to the fixed region, a current path is formed according to the charge amount of the fixed organic molecules.
ことを特徴とする有機分子検出素子。  An organic molecule detecting element, characterized by comprising:
( 5 ) 請求項 4に記載の有機分子検出素子において、  (5) The organic molecule detecting element according to claim 4,
前記電極領域は、 前記半導体基板のうち、 前記制御電極領域とは反対側の主面 近傍に配置されている  The electrode region is disposed near a main surface of the semiconductor substrate opposite to the control electrode region.
ことを特徴とする有機分子検出素子。  An organic molecule detecting element, characterized by comprising:
( 6 ) 請求項 1から請求項 5の何れか 1項に記載の有機分子検出素子と、 前記半導体基板の前記所定領域に形成される前記電流経路の電気特性を測定す る測定手段とを備えた  (6) The organic molecule detection element according to any one of claims 1 to 5, further comprising: a measuring unit configured to measure an electric characteristic of the current path formed in the predetermined region of the semiconductor substrate. Was
ことを特徴とする有機分子検出装置。  An organic molecule detection device, comprising:
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