JP2016510893A - 一貫性のあるセンサ表面積を有する化学センサ - Google Patents

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Abstract

一実施形態において、化学センサが記載される。本化学センサは、上面を有する浮遊ゲート導体を含む化学感応性電界効果トランジスタを含む。材料が、浮遊ゲート導体の上面にまで延伸する開口部を画定する。該材料は、第２の絶縁体の下にある第１の絶縁体を備える。伝導性素子が、浮遊ゲート導体の上面に接触し、かつ開口部の側壁に沿ってある距離を延伸し、該距離は第１の絶縁体の厚さによって画定される。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、２０１３年８月２２日出願の米国仮特許出願第６１／８６８，７３９号、及び２０１３年３月１５日出願の同第６１／７９０，８６６号に対する優先権を主張するものであり、その内容全体は参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
本開示は、化学分析のためのセンサ、及びそのようなセンサの製造方法に関する。
様々な種類の化学センサが化学プロセスの検出に使用されてきた。１つの種類は、化学感応性電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）である。ｃｈｅｍＦＥＴは、チャネル領域によって分離されるソース及びドレイン、ならびにチャネル領域に連結される化学感応性区域を含む。ｃｈｅｍＦＥＴの操作は、近くで発生する化学反応に起因する感応性区域における電荷の変化によって引き起こされる、チャネルコンダクタンスの変調に基づく。チャネルコンダクタンスの変調は、ｃｈｅｍＦＥＴの閾値電圧を変化させ、この閾値電圧を測定して、化学反応の特徴を検出及び／または決定することができる。閾値電圧は、例えば、適切なバイアス電圧をソース及びドレインに印加すること、及びｃｈｅｍＦＥＴを通って流れる結果として生じる電流を測定することによって、測定され得る。別の例として、閾値電圧は、既知の電流をｃｈｅｍＦＥＴに流すこと、及びソースまたはドレインで結果として生じる電圧を測定することによって、測定され得る。
イオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）は、感応性区域にイオン感応性層を含むｃｈｅｍＦＥＴの種類である。検体溶液中のイオンの存在は、検体溶液中に存在するイオンによって引き起こされる表面荷電基のプロトン化及び脱プロトン化に起因して、イオン感応性層と検体溶液との間の界面で表面電位を変更する。ＩＳＦＥＴの感応性区域における表面電位の変化は、装置の閾値電圧に影響を与え、この閾値電圧を測定して、溶液内のイオンの存在及び／または濃度を示すことができる。
ＩＳＦＥＴのアレイは、ＤＮＡ配列反応などの化学反応を監視するために、反応中に存在する、生成される、または使用されるイオンの検出に基づいて使用され得る。例えば、参照により本明細書に組み込まれる、Ｒｏｔｈｂｅｒｇらに対する米国特許第７，９４８，０１５号を参照。より一般的には、ｃｈｅｍＦＥＴの大きいアレイまたは他の種類の化学センサを利用して、様々なプロセスにおける様々な検体（例えば、水素イオン、他のイオン、化合物等）の静的及び／もしくは動的な量または濃度を検出及び測定してもよい。プロセスは、例えば、生物学的もしくは化学的反応、細胞もしくは組織培養、または神経活動、核酸配列を監視すること等であってもよい。
大規模化学センサアレイの操作において生じる問題は、ノイズに対するセンサ出力信号の感受性である。具体的には、ノイズは、センサによって検知されている化学的及び／または生物学的プロセスの特徴を決定するために使用される下流信号処理の精度に影響を与える。加えて、アレイにわたる化学センサの性能ばらつきは、センサ出力信号における望ましくない違いをもたらし、この違いが下流信号処理をさらに複雑にする。
そのため、低ノイズ化学センサを含む装置、及びそのような装置の製造方法を提供することが望ましい。
一実施形態において、化学センサが記載される。本化学センサは、上面を有する浮遊ゲート導体を含む化学感応性電界効果トランジスタを含む。材料が、浮遊ゲート導体の上面にまで延伸する開口部を画定し、該材料は、第２の絶縁体の下にある第１の絶縁体を備える。伝導性素子は、浮遊ゲート導体の上面に接触し、かつ開口部の側壁に沿ってある距離を延伸し、該距離は第１の絶縁体の厚さによって画定される。
別の実施形態において、化学センサの製造方法が記載される。本方法は、上面を有する浮遊ゲート導体を含む化学感応性電界効果トランジスタを形成することを含む。本方法は、浮遊ゲート導体の上面にまで延伸する開口部を画定する材料を形成することをさらに含み、該材料は第２の絶縁体の下にある第１の絶縁体を備える。本方法は、浮遊ゲート導体の上面に接触し、かつ開口部の側壁に沿ってある距離を延伸する伝導性素子を形成することをさらに含み、該距離は絶縁体の厚さによって画定される。
本明細書に記載される本主題のもう１つの実施形態の特定の態様が、以下の図面及び説明において提供される。本主題の他の特徴、態様、及び利点は、説明、図面、及び特許請求の範囲から明らかとなる。
例示的な実施形態に従う核酸配列のためのシステムの構成要素のブロック図を例証する。 例示的な実施形態に従う集積回路装置及びフローセルの一部分の横断面図を例証する。 第１の実施形態に従う２つの代表的な化学センサ及びそれらの対応する反応領域の横断面図を例証する。 第１の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。 第１の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。 第１の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。 第１の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。 第１の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。 第１の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。 第１の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。 第２の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。 第２の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。 第３の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。 第３の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。 第３の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。 第３の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。
上に重なる、動作的に関連付けられた反応領域内で化学反応を検出するための、化学感応性電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）などの低ノイズ化学センサを含む化学検出装置が、記載される。
個々の化学センサ及び上に重なる反応領域の平面または上面積（または設置面積）を低減することが、より密度の高い装置を可能にする。しかしながら、化学センサの寸法が低減されると、出願者らは、センサの検知表面積の対応する低減が性能に著しい影響を与え得ることを発見している。
例えば、反応領域の底部で画定される検知表面を有する化学センサでは、反応領域の平面寸法（例えば、幅または直径）を低減することは、検知表面積において同様の低減をもたらす。出願者らは、検知表面積が技術限界まで低減されると、検知表面上の電荷の無作為変動に起因する流体ノイズが、検知表面電位おける全変動の割合増加に寄与することを発見している。これにより、センサによって検知されている化学的及び／または生物学的プロセスの特徴を決定するために使用される下流信号処理の精度に影響を与える、センサ出力信号の信号対ノイズ比（ＳＮＲ）を著しく低減することができる。
本明細書に記載される化学センサは、反応領域の底部で２次元面積に制限されない検知表面積を有する。本明細書に記載される実施形態において、化学センサの検知表面は、反応領域の底面に沿って略水平の部分、ならびに反応領域を含む開口部の側壁に沿って略垂直の部分を含む。
略垂直の部分が側壁に沿って延伸する距離は、開口部の下部を形成する絶縁体材料の厚さによって画定される。絶縁体材料を、アレイにわたって極めて小さな厚さ変動をもたらすプロセス（例えば、薄膜堆積）を使用して堆積することができる。そうすることで、化学センサのセンサ表面積を非常に良好に制御することができ、アレイにわたって均一な化学センサ性能をもたらし、従って下流信号処理を簡略化する。
略垂直の方向に検知表面を延伸することによって、化学センサは小さい設置面積を有しながら、同時に、小さい検知表面に関連するノイズ問題を回避するのに十分に大きい検知表面を有することもできる。化学センサの設置面積は、上に重なる反応領域の幅（例えば、直径）によって部分的に決定され、小さく作製することにより、高密度アレイを可能にすることができる。加えて、検知表面は制御された距離を側壁上方へ延伸するため、検知表面積は比較的大きくなり得る。結果として、低ノイズ化学センサを、反応の特徴を正確に検出することができるように、高密度アレイで提供することができる。
図１は、例示的な実施形態に従う核酸配列のためのシステムの構成要素のブロック図を例証する。本構成要素は、集積回路装置１００上のフローセル１０１、基準電極１０８、シーケンシングのための複数の試薬１１４、弁ブロック１１６、洗浄溶液１１０、弁１１２、フルイディクス制御器１１８、ライン１２０／１２２／１２６、通路１０４／１０９／１１１、廃棄物容器１０６、アレイ制御器１２４、及びユーザインターフェース１２８を含む。集積回路装置１００は、本明細書に記載されるような化学センサを含むセンサアレイの上に重なるマイクロウェルアレイ１０７を含む。フローセル１０１は、入口１０２、出口１０３、及びマイクロウェルアレイ１０７にわたる試薬１１４のための流路を画定するフローチャンバ１０５を含む。
基準電極１０８は、通路１１１の内腔に挿入される流体通路またはワイヤを有する同心円筒をはじめとする、任意の好適な種類または形状であり得る。試薬１１４は、ポンプ、ガス圧力、または他の好適な方法によって流体経路、弁、及びフローセル１０１に流され得、フローセル１０１の出口１０３を出た後、廃棄物容器１０６内に廃棄され得る。フルイディクス制御器１１８は、好適なソフトウェアを用いて、試薬１１４のための駆動力、ならびに弁１１２及び弁ブロック１１６の操作を制御し得る。
マイクロウェルアレイ１０７は、本明細書内ではマイクロウェルとも称される反応領域を含み、それは、センサアレイ内の対応する化学センサと動作的に関連付けられる。例えば、各反応領域は、検体またはその反応領域内の目的の反応特性を検知するために好適な化学センサに連結され得る。マイクロウェルアレイ１０７は、マイクロウェルアレイ１０７及びセンサアレイが単一の装置またはチップの一部であるように、集積回路装置１００内に統合され得る。
フローセル１０１は、マイクロウェルアレイ１０７にわたる試薬１１４の通路及び流量を制御するための様々な構成を有し得る。アレイ制御器１２４は、センサアレイの化学センサを読み込むために、バイアス電圧ならびにタイミング及び制御信号を集積回路装置１００に提供する。アレイ制御器１２４はまた、基準バイアス電圧を基準電極１０８に提供して、マイクロウェルアレイ１０７にわたって流れる試薬１１４を付勢する。
実験中、アレイ制御器１２４は、バス１２７を介してセンサアレイの化学センサから集積回路装置１００上の出力ポートまで出力信号を収集し、かつ処理する。アレイ制御器１２４は、コンピュータ、または他のコンピューティング手段であり得る。アレイ制御器１２４は、データ及びソフトウェアアプリケーションの記憶のためのメモリ、データにアクセスし、アプリケーションを実行するためのプロセッサ、ならびに図１内のシステムの様々な構成要素との通信を促進する構成要素を含み得る。
例証される実施形態において、アレイ制御器１２４は、集積回路装置１００の外部にある。いくつかの代替的な実施形態において、アレイ制御器１２４によって実施される機能のいくつかまたはすべては、集積回路装置１００上の制御器または他のデータプロセッサによって実行される。
化学センサからの出力信号の値は、マイクロウェルアレイ１０７内の対応する反応領域で起こる１つ以上の反応の物理的及び／または化学的パラメータを示す。例えば、例示的な実施形態において、出力信号の値は、それぞれが参照により本明細書に組み込まれる、２０１０年１２月３０日出願の米国仮特許出願第６１／４２８，７４３号、及び２０１１年１月３日出願の同第６１／４２９，３２８号に基づく２０１１年１２月２９日出願のＲｅａｒｉｃｋらの米国特許出願第１３／３３９，８４６号、ならびに２０１０年１２月２９日出願の米国仮特許出願第６１／４２８，０９７号に基づく２０１１年１２月２９日出願のＨｕｂｂｅｌｌの米国特許出願第１３／３３９，７５３号に開示される技術を使用して処理され得る。
ユーザインターフェース１２８は、フローセル１０１、及び集積回路装置１００上のセンサアレイ内の化学センサから受信される出力信号に関する情報を表示し得る。ユーザインターフェース１２８はまた、機器の設定及び制御も表示し、ユーザが機器の設定及び制御を入力または設定することを可能にする。
フルイディクス制御器１１８は、個々の試薬１１４を規定の順序、規定の期間、規定の流量でフローセル１０１及び集積回路装置１００へ送達することを制御し得る。次いでアレイ制御器１２４は、試薬１１４の送達に応答して発生する化学反応を示す化学センサの出力信号を収集及び分析することができる。
実験中、システムはまた、反応が起こり、既知の規定の温度で測定が行われるように、集積回路装置１００の温度を監視及び制御し得る。
システムは、操作中、多段階反応全体にわたって単一の流体または試薬を基準電極１０８に接触させるように構成され得る。弁１１２は、試薬１１４が流れている際にいかなる洗浄溶液１１０も通路１０９に流れ込むことを防ぐために閉鎖され得る。洗浄溶液の流動は止められ得るが、基準電極１０８と、通路１０９と、マイクロウェルアレイ１０７との間の絶え間ない流体、及び電気通信は依然として存在し得る。基準電極１０８と通路１０９及び１１１の合流点との間の距離は、通路１０９内を流れる、及びおそらくは通路１１１内に拡散する試薬のわずかな量が基準電極１０８に達する、または全く達しないように、選択され得る。例示的な実施形態において、洗浄溶液１１０は、基準電極１０８と連続的に接触しているように選択され得、それは頻繁な洗浄工程を使用した多段階反応に特に有用である。
図２は、集積回路装置１００及びフローセル１０１の一部分の横断及び拡大図を例証する。集積回路装置１００は、センサアレイ２０５と動作的に関連付けられた反応領域のマイクロウェルアレイ１０７を含む。操作中、フローセル１０１のフローチャンバ１０５は、マイクロウェルアレイ１０７内の反応領域の開口端を横切って送達された試薬の試薬流動２０８を閉じ込める。反応領域の量、形状、横縦比（底幅対ウェル深さ比など）、及び他の寸法特徴は、起こる反応の性質、ならびに試薬、副産物、または（もしあれば）利用される標識技術に基づいて選択され得る。
センサアレイ２０５の化学センサは、マイクロウェルアレイ１０７における関連付けられる反応領域内の化学反応に応答して（及び化学反応に関する出力信号を生成して）、検体または目的の反応特性を検出する。センサアレイ２０５の化学センサは、例えば、イオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）などの化学感応性電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）であり得る。実施形態において使用され得る化学センサ及びアレイ構成の例は、それぞれが参照により本明細書に組み込まれる、米国特許出願第２０１０／０３００５５９号、同第２０１０／０１９７５０７号、同第２０１０／０３０１３９８号、同第２０１０／０３００８９５号、同第２０１０／０１３７１４３号、及び同第２００９／００２６０８２号、ならびに米国特許第７，５７５，８６５号に記載される。
図３は、第１の実施形態に従う２つの代表的な化学センサ及びそれらの対応する反応領域の横断面図を例証する。図３では、数百万の化学センサを含むことができるセンサアレイのほんの一部分を表す２つの化学センサ３５０、３５１が示される。
化学センサ３５０は、対応する反応領域３０１に連結され、化学センサ３５１は、対応する反応領域３０２に連結される。化学センサ３５０は、センサアレイ内の化学センサの代表である。例証される実施形態において、化学センサ３５０は、化学感応性電界効果トランジスタ（ｃｈｅｍＦＥＴ）、より具体的には、本実施例ではイオン感応性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）である。
化学センサ３５０は、導電性素子３７０によって反応領域３０１に連結されるセンサプレート３２０を有する浮遊ゲート構造体３１８を含む。図３に見られるように、センサプレート３２０は、浮遊ゲート構造体３１８内の一番上の浮遊ゲート導体である。例証される実施形態において、浮遊ゲート構造体３１８は、絶縁体材料３１９の層内に伝導性材料の複数のパターン層を含む。
化学センサ３５０はまた、半導体基板３５４内にソース領域３２１及びドレイン領域３２２も含む。ソース領域３２１及びドレイン領域３２２は、基板３５４の導電型とは異なる導電型を有するドープ半導体材料を備える。例えば、ソース領域３２１及びドレイン領域３２２は、ドープＰ型半導体材料を備え得、基板は、ドープＮ型半導体材料を備え得る。
チャネル領域３２３は、ソース領域３２１とドレイン領域３２２とを分離する。浮遊ゲート構造体３１８は、チャネル領域３２３の上に重なり、ゲート絶縁体３５２によって基板３５４から分離される。ゲート絶縁体３５２は、例えば、二酸化ケイ素であり得る。代替的に、他の絶縁体がゲート絶縁体３５２に使用され得る。
図３に示されるように、反応領域３０１は、絶縁体材料３１０、３０８を通ってセンサプレート３２０の上面にまで延伸する側壁３０３を有する開口部内にある。絶縁体材料３１０、３０８のそれぞれは、二酸化ケイ素または窒化ケイ素などの材料の１つ以上の層を備え得る。
開口部は、絶縁体材料３０８内にあり、かつセンサプレート３２０に近接する下部３１４を含む。開口部はまた、絶縁体材料３１０内にあり、かつ下部３１４から絶縁体材料３１０の上面に延伸する上部３１５も含む。例証される実施形態において、開口部の上部３１５の幅は、開口部の下部３１４の幅よりも大きい。
開口部は、例えば、円形断面を有してもよい。代替的に、開口部は非円形であってもよい。例えば、断面は、正方形、長方形、六角形、または不規則な形であってもよい。開口部の寸法及びそれらの傾斜は、実施形態に応じて様々であってもよい。いくつかの実施形態において、開口部は、平面断面面積（Ａ）をＰｉで除算した数の４倍の平方根（例えば、ｓｑｒｔ（４×Ａ／π））として定義される、特徴的な直径を有することができ、それは３．５マイクロメートル以下、２．０マイクロメートル以下、１．６マイクロメートル以下、１．０マイクロメートル以下、０．８マイクロメートル以下、０．６マイクロメートル以下、０．４マイクロメートル以下、０．２マイクロメートル以下、またはさらに０．１マイクロメートル以下などの、５マイクロメートル以下である。
開口部の下部３１４は、絶縁体材料３０８の側壁３０３上に導電性素子３７０を含む。例証される実施形態において、導電性素子３７０の内面３７１は、反応領域３０１の下方部分を画定する。つまり、導電性素子３７０の内面３７１と化学センサ３５０のための反応領域３０１との間に介在して堆積される材料層は存在しない。この構造体の結果として、導電性素子３７０の内面３７１は、カップ状であり、化学センサ３５０のための検知表面として働く。
導電性素子３７０は、導電性素子３７０がセンサプレート３２０の上面を横切って延伸するような、開口部の下部３１４内の材料の共形（ｃｏｎｆｏｒｍａｌ）層である。例証される実施形態において、導電性素子３７０は、開口部の下部３１４から突き出て絶縁体材料３０８の上面の上へ出る。
図３に示されるように、導電性素子３７０は、開口部の上部３１５にまで延伸しない。むしろ、導電性素子３７０は、開口部の上部３１５によって絶縁体材料３１０の上面３１１から離間される。結果として、絶縁体材料３１０の内面は、反応領域３０１の上方部分を画定する。伝導性素子３７０は、例えば、側壁３０３の少なくとも５％、側壁３０３の少なくとも１０％、少なくとも２５％、少なくとも５０％、少なくとも７５％、またはさらに少なくとも８５％に沿って延伸し得る。
導電性素子３７０のカップ状内面３７１は、化学センサ３５０が小さい平面面積を有する一方で、小さい検知表面に関連したノイズ問題を回避するために十分に大きい表面積を有することも可能にする。化学センサ３５０の平面面積を、反応領域３０１の幅（または直径）によって部分的に決定し、小さく作製することができ、高密度アレイを可能にする。加えて、検知表面は側壁３０３上方へ延伸するため、検知表面積は、この延伸の距離及び反応領域３０１の円周次第であり、比較的大きくてもよい。結果として、低ノイズ化学センサ３５０、３５１を、反応の特徴を正確に検出することができるように、高密度アレイで提供することができる。
本装置の製造及び／または操作中、導電性素子３７０の材料の薄酸化物が成長し得、それは化学センサ３５０のための検知材料（例えば、イオン感応性検知材料）として働く。酸化物が形成されるかどうかは、伝導性材料、実施される製造プロセス、及び装置が操作される条件次第である。例えば、一実施形態において、導電性素子３７０は窒化チタンであり得、酸化チタンまたは酸窒化チタンは、製造中及び／または使用中の溶液への曝露中に伝導性素子３７０の内面３７１上で成長し得る。
例証される実施形態において、導電性素子３７０は、材料の単一層として示される。より一般的には、導電性素子３７０は、実施形態に応じて、金属またはセラミックスなどの様々な導電性材料の１つ以上の層を備え得る。伝導性材料は、例えば、金属材料もしくはその合金であってもよく、またはセラミック材料、あるいはその組み合わせであってもよい。例示的な金属材料は、アルミニウム、銅、ニッケル、チタン、銀、金、プラチナ、ハフニウム、ランタン、タンタル、タングステン、リジウム、ジルコニウム、パラジウム、またはそれらの組み合わせのうちの１つを含む。例示的なセラミック材料は、窒化チタン、窒化チタンアルミニウム、酸窒化チタン、窒化タンタル、またはそれらの組み合わせのうちの１つを含む。
いくつかの代替的な実施形態において、追加の共形検知材料（示されていない）が、伝導性素子３７０上及び開口部内に堆積される。検知材料は、特定のイオンに対する感応性を促進するために様々な異なる材料のうちの１つ以上を備え得る。例えば、窒化ケイ素または酸窒化ケイ素、ならびに酸化ケイ素、アルミニウムまたは酸化タンタルなどの酸化金属が、一般的に、水素イオンに対する感応性を提供する一方、バリノマイシンを含有するポリ塩化ビニルを含有する検知材料は、カリウムイオンに対する感応性を提供する。ナトリウム、銀、鉄、臭素、ヨウ素、カルシウム、及び硝酸塩などの他のイオンに対して感応する材料もまた、実施形態に応じて使用され得る。
操作中、反応物、洗浄溶液、及び他の試薬は、拡散機構３４０によって、反応領域３０１内を、及びそこから外へ移動し得る。化学センサ３５０は、伝導性素子３７０に近接する電荷３２４の量に応答する（及び伝導性素子の量に関する出力信号を生成する）。検体溶液中の電荷３２４の存在は、反応領域３０１内の伝導性素子３７０と検体溶液との間の界面で表面電位を変更する。電荷３２４の変化は、浮遊ゲート構造体３１８上の電圧の変化を引き起こし、それが今度はトランジスタの閾値電圧を変化させる。閾値電圧におけるこの変化は、ソース領域３２１とドレイン領域３２２との間のチャネル領域３２３内の電流を測定することによって測定することができる。結果として、化学センサ３５０を直接使用して、ソース領域３２１もしくはドレイン領域３２２に連結されるアレイライン上に電流ベースの出力信号を提供するか、または非直接的に追加の電気回路構成を用いて電圧ベースの出力信号を提供することができる。
電荷３２４は、反応領域３０１の底部近くでより高濃度であるため、伝導性素子３７０が開口部の側壁３０３の上方に延伸する距離は、電荷３２４に応答して検出される所望の信号の振幅と、伝導性素子３７０と検体溶液との間の電荷の無作為変動に起因する流体ノイズとの間のトレードオフである。伝導性素子３７０が側壁３０３の上方に延伸する距離が増加すると、化学センサ３５０のための流体界面積が増加し、それが流体ノイズを低減するように働く。しかしながら、反応領域３１０からの電荷３２４の拡散が原因で、電荷３２４の濃度は、反応領域３０１の底部からの距離とともに減少する。結果として、伝導性素子３７０の上方側壁部分は、より低い電荷濃度を有する区域からの信号の部分を検出し、それによってセンサ３５０によって検出される所望の信号の全体の振幅を低減することができる。反対に、伝導性素子３７０が側壁３０３の上方に延伸する距離が減少すると、検知表面積は減少し、従って流体ノイズは増加するが、センサ３５０によって検出される所望の信号の全体の振幅も増加する。
非常に小さい検知表面積では、出願者らは、流体ノイズが、所望の信号の振幅とは異なって、検知表面積の関数として変化することを発見している。センサ出力信号のＳＮＲはこれら２つの数量の比であるため、伝導性素子３７０が、ＳＮＲが最大である側壁３０３に沿って延伸する最適距離が存在する。
最適距離は、伝導性素子３７０及び絶縁体材料３１０の材料特徴、反応領域の量、形状、横縦比（底幅対ウェル深さ比など）、及び他の寸法特徴、起こる反応の性質、ならびに試薬、副産物、または（もしあれば）利用される標識技術に応じて、実施形態によって様々であり得る。最適距離は、例えば、経験的に決定され得る。
図４〜９に関して下記により詳細に記載されるように、伝導性素子３７０が側壁３０３に沿って延伸する距離は、開口部の下部３１４を形成する絶縁体材料３０８の厚さ３０９によって画定される。絶縁体材料３０８を、アレイにわたって厚さ３０９の極めて小さな変動をもたらすプロセス（例えば、薄膜堆積）を使用して堆積することができる。そうすることで、化学センサの表面積を非常に良好に制御することができ、アレイにわたって均一な化学センサ性能をもたらし、下流信号処理を簡略化する。
ある実施形態において、反応領域３０１内で実行される反応は、目的の検体の特徴または特性を識別または決定するための分析反応であり得る。そのような反応は、導電性素子３７０に隣接する電荷の量に影響を与える副産物を直接または間接的に生成することができる。そのような副産物が少量で産生されるか、または急速に崩壊する、もしくは他の構成物質と反応する場合、生成される出力信号を増加させるために、同じ検体の複数の複製が、反応領域３０１内で同時に分析され得る。ある実施形態において、検体の複数の複製は、反応領域３０１内への堆積前または後のいずれかに、固相支持体３１２に結合され得る。固相支持体３１２は、ミクロ粒子、ナノ粒子、ビーズ、固体もしくは多孔質ゲル等であり得る。単純かつ容易な説明のため、固相支持体３１２は、本明細書内では粒子とも称される。核酸検体では、複数の、接続された複製が、ローリングサークル増幅（ＲＣＡ）、急激なＲＣＡ、リコンビナーゼポリメラーゼ増幅（ＲＰＡ）、ポリメラーゼ連鎖反応増幅（ＰＣＲ）、エマルジョンＰＣＲ増幅、または同様の技術によって作製され、固体支持体を必要とせずにアンプリコンを産生し得る。
様々な例示的な実施形態において、本明細書に記載される方法、システム、及びコンピュータ可読媒体を有利に使用して、電子もしくは電荷ベースの核酸シーケンシングから獲得されるデータもしくは信号を処理及び／または分析してもよい。電子または電荷ベースのシーケンシング（ｐＨベースのシーケンシングなど）において、ヌクレオチド取り込み事象は、ポリメラーゼ触媒ヌクレオチド伸長反応の自然の副産物として生成されるイオン（例えば、水素イオン）を検出することによって決定され得る。これは、試料またはテンプレート核酸をシーケンスするために使用され得、この試料またはテンプレート核酸は、目的の核酸配列の断片であり得、例えば、クローン集団として粒子、ミクロ粒子、ビーズ等などの固体支持体に直接的または非直接的に結合され得る。試料またはテンプレート核酸は、プライマー及びポリメラーゼに作動的に関連付けられ得、デオキシヌクレオシド三リン酸（「ｄＮＴＰ」）付加の繰り返される循環または「流動」（本明細書内ではヌクレオチド取り込みが生じ得る「ヌクレオチド流動」と称され得る）、及び洗浄に供され得る。プライマーは、テンプレート内の次の塩基を補足するｄＮＴＰが添加されるたびに、プライマーの３’末端をポリメラーゼによって延伸することができるように、試料またはテンプレートに焼鈍され得る。次いで、ヌクレオチド流動の既知の配列、及び各ヌクレオチド流動中のイオン濃度を示す化学センサの測定された出力信号に基づき、化学センサに連結される反応領域内に存在する試料核酸と関連付けられるヌクレオチド（複数可）の種類の同一性、配列、及び数を決定することができる。
図４〜１０は、第１の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。
図４は、第１の段階で形成される構造体４００を例証する。構造体４００は、化学センサ３５０、３５１のための浮遊ゲート構造体（例えば、浮遊ゲート構造体３１８）を含む。
構造体４００は、ゲート絶縁体材料の層を半導体基板３５４上に堆積すること、及びポリシリコンの層（または他の導電性材料）をゲート絶縁体材料の層の上に堆積することによって形成することができる。次いで、ポリシリコンの層及び層ゲート絶縁体材料を、エッチマスクを使用してエッチングし、ゲート絶縁体素子（例えば、ゲート絶縁体３５２）、及び浮遊ゲート構造体の一番下の伝導性材料素子を形成することができる。イオン注入マスクの形成に続き、次いでイオン注入を実施し、化学センサのソース及びドレイン領域（例えば、ソース領域３２１及びドレイン領域３２２）を形成することができる。
次いで絶縁体材料３１９の第１の層を、一番下の伝導性材料素子の上に堆積することができる。次いで伝導性プラグを絶縁体材料３１９の第１の層内でエッチングされるビア内に形成し、浮遊ゲート構造体の一番下の伝導性材料素子に接触させることができる。次いで伝導性材料の層を絶縁体材料３１９の第１の層の上に堆積し、かつパターン形成して、伝導性プラグに電気的に接続される第２の伝導性材料素子を形成することができる。次いでこのプロセスを複数回繰り返し、図４に示される完全な浮遊ゲート構造体３１８を形成することができる。代替的に、他の及び／または追加の技術を実施して本構造体を形成してもよい。
図４内の構造体４００を形成することはまた、本明細書に記載される化学センサが実装される装置及びアレイ構成に応じて、化学センサを操作するために使用される、化学センサにアクセスするためのアレイライン（例えば、行ライン、列ライン等）、基板３５４内の追加のドープ領域、及び他の電気回路構成（例えば、スイッチを選択する、電気回路構成にアクセスする、電気回路構成を付勢する等）などの追加の素子を形成することを含むこともできる。いくつかの実施形態において、本構造体の素子は、例えば、上記参照により組み込まれた、米国特許出願第２０１０／０３００５５９号、同第２０１０／０１９７５０７号、同第２０１０／０３０１３９８号、同第２０１０／０３００８９５号、同第２０１０／０１３７１４３号、及び同第２００９／００２６０８２号、ならびに米国特許第７，５７５，８６５号に記載される技術を使用して製造され得る。
次に、厚さ３０９を有する絶縁体材料３０８を、図４に例証される構造体４００の上に堆積し、図５に例証される構造体をもたらす。絶縁体材料３０８は、絶縁体の１つ以上の絶縁体層を備える。絶縁体材料３０８は、アレイにわたって厚さ３０９の極めて小さな変動をもたらすプロセスを使用して堆積され得る。例えば、絶縁体材料３０８は、酸化ケイ素を含み得、かつ高密度プラズマ（ＨＤＰ）堆積を使用して堆積され得る。
次に、図５内の構造体の絶縁体材料３０８をエッチングし、化学センサ３５０、３５１の浮遊ゲート構造体の上面にまで延伸する空洞６００、６０２を形成し、図６に例証される構造体をもたらす。
空洞６００、６０２は、例えば、絶縁体材料３０８上にフォトレジストの層をパターン形成して、空洞６００、６０２の位置を画定し、次いでパターン形成されたフォトレジストを使用して絶縁体材料３０８を異方性エッチングする、石版プロセスを使用して形成され得る。絶縁体材料３０８の異方性エッチングは、例えば、フッ素ベースの反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）プロセスなど、ドライエッチングであり得る。
次に、伝導性材料７００の共形層を図６に例証される構造体上に堆積し、図７に例証される構造体をもたらす。伝導性材料７００は、導電性材料の１つ以上の層を備える。例えば、伝導性材料７００は、窒化チタンの層、またはチタンの層であり得る。代替的に、伝導性素子３７０に関して上に記載されるようなものなど、他の及び／または追加の伝導性材料を使用してもよい。加えて、伝導性材料の１つを超える層を堆積してもよい。
伝導性材料７００は、スパッタリング、反応性スパッタリング、原子層堆積（ＡＬＤ）、低圧化学気相堆積（ＬＰＣＶＤ）、プラズマ増強化学気相堆積（ＰＥＣＶＤ）、金属有機化学気相堆積（ＭＯＣＶＤ）等などの、様々な技術を使用して堆積され得る。
次に、伝導性材料７００をエッチングして、伝導性素子３７０、８００を形成し、図８に例証される構造体をもたらす。例証される実施形態において、伝導性素子３７０、８００は、空洞６００、６０２から突き出て、絶縁体材料３０８の上面の上へ出る。
伝導性素子３７０、８００は、例えば、空洞６００、６０２内にマスク素子を最初に形成することによって形成され得る。マスク素子は、マスク素子が絶縁体材料３０８の上面の一部分にわたって延伸するように、空洞６００、６０２の幅よりも大きい幅を有することができる。マスク素子は、例えば、石版プロセスを使用してフォトレジストの層をパターン形成することによって形成され得る。代替的に、他の材料及びプロセスを使用してマスク素子を形成してもよい。
次いで、エッチマスクとしてマスク素子を使用して伝導性材料７００をエッチングすることができる。このエッチングは、絶縁体材料３０８の上面から曝露した伝導性材料７００を取り除き、伝導性素子３７０、８００を形成する材料はそのままにしておく。次いで、例えば、フォトレジストストリッピングプロセスを使用して、マスク素子を取り除くことができる。
次に、絶縁体材料３１０を図８に例証される構造体上に形成し、図９に例証される構造体をもたらす。絶縁体材料３１０は、二酸化ケイ素または窒化ケイ素など、堆積された絶縁体材料の１つ以上の層を備え得る。
次に、絶縁体材料３１０をエッチングして、伝導性素子３７０、８００にまで延伸する反応領域３０１、３０２を画定する開口部を形成し、図１０に例証される構造体をもたらす。
図１１〜１２は、第２の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。
図１１は、図１０の構造体の絶縁体材料３１０上にハードマスク材料層１１００を形成する第１の段階を例証する。ハードマスク材料層１１００は、絶縁体材料３１０の材料とは異なる材料を含み得る。例えば、ハードマスク材料層１１００及び絶縁体材料３１０は、相互に関連して選択的にエッチングされることができる材料を含み得る。例えば、ハードマスク材料層１１００は、窒化ケイ素を含み得、絶縁体材料３１０は、二酸化ケイ素を含み得る。
次に、ハードマスク材料層１１００をエッチングして、絶縁体材料３１０上にハードマスク材料素子１１０２、１１０４、１１０６を形成することができる。次いで、絶縁体材料３１０を、ハードマスク材料素子１１０２、１１０４、１１０６を使用してエッチングし、伝導性素子３７０、８００にまで延伸する反応領域３０１、３０２を画定する開口部を形成することができ、図１２に例証される構造体をもたらす。
図１３〜１４は、第３の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。
図１３は、図１０の構造体の絶縁体３０８の頂面から伝導性材料７００を取り除くための平面化プロセスを実施する第１の段階を例証する。図８のエッチングプロセスと対照的に、図１３の平面化プロセスは、絶縁体３０８の上面にまで延伸する伝導性素子１３００、１３１０を形成する。つまり、平面化プロセスは、絶縁体３０８の頂面から伝導性材料７００を完全に取り除き、空洞６００、６０２内の伝導性材料はそのままにして伝導性素子１３００、１３１０を形成する。平面化プロセスは、例えば、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）であってもよい。
次に、絶縁体材料３１０を図１３に例証される構造体上に形成する。次いで絶縁体材料３１０をエッチングし、伝導性素子１３００、１３１０にまで延伸する反応領域３０１、３０２を画定する開口部を形成し、図１４に例証される構造体をもたらす。
図１５〜１６は、第４の実施形態に従う化学センサ及び対応する反応領域のアレイを形成するための製造プロセスにおける段階を例証する。
図１５は、図７に例証される構造体の空洞６００、６０２を犠牲材料１５００で満たす第１の段階を例証する。空洞６００、６０２を満たすことは、図７に例証される構造体上に犠牲材料１５００を堆積すること、及び空洞６００、６０２の間に延伸する伝導性材料７００を曝露するために平面化プロセスを実施することによって実施することができる。
次いで隣接する空洞６００、６０２の間の伝導性材料７００の少なくとも一部分をエッチングして、伝導性素子３７０、８００を形成する。図８に関して上に記載される技術を使用して、伝導性材料７００をエッチングすることができる。このエッチングは、空洞６００、６０２内の犠牲材料１５００を取り除かない。結果として、犠牲材料は、伝導性素子３７０、８００のための保護マスクとして働く。
次いで絶縁体材料３１０を堆積し、かつエッチングして、犠牲材料１５００にまで延伸する開口部の上部を形成し、図１６に例証される構造体をもたらす。絶縁体材料３１０及び犠牲材料はそれぞれ、相互に関連して選択的エッチングされることができる材料を含み得る。そのような場合、犠牲材料１５００は、絶縁体材料３１０のエッチング中にエッチング停止として働く。
次いで第２のエッチングプロセスを実施して、犠牲材料１５００を選択的に取り除き、かつ伝導性素子３７０、８００を曝露することができ、図１０に例証される構造体をもたらす。第２のエッチングプロセスは、例えば、絶縁体材料または伝導性素子３７０、８００を著しくエッチングせずに犠牲材料を取り除くウェットエッチングプロセスであってもよい。
本発明は、上に詳述される好ましい実施形態及び実施例を参照して開示されるが、これらの実施例は、制限する意味ではなく例証する意味で意図されることを理解されたい。変形及び組み合わせが当業者には容易に想到されることが企図され、その変形及び組み合わせは、本発明の趣旨及び以下の特許請求の範囲の範囲内であるものとする。

Claims (20)

  1. 化学センサであって、
    上面を有する浮遊ゲート導体を含む化学感応性電界効果トランジスタと、
    前記浮遊ゲート導体の前記上面にまで延伸する開口部を画定する材料であって、第２の絶縁体の下にある第１の絶縁体を備える材料と、
    前記浮遊ゲート導体の前記上面に接触し、かつ前記開口部の側壁に沿ってある距離を延伸する伝導性素子であって、前記距離が前記第１の絶縁体の厚さによって画定される、伝導性素子と、を備える、前記化学センサ。
  2. 前記開口部が、前記第１の絶縁体内に下部、及び前記第２の絶縁体内に上部を含む、請求項１に記載の前記化学センサ。
  3. 前記伝導性素子が前記第１の絶縁体の上面にわたって延伸するように、前記開口部の前記下部の幅が前記上部の幅よりも小さい、請求項２に記載の前記化学センサ。
  4. 前記上部が、前記第２の絶縁体の内面によって画定される、請求項２に記載の前記化学センサ。
  5. 前記伝導性素子が、前記第１の絶縁体の上面にまで延伸する、請求項１に記載の前記化学センサ。
  6. 前記伝導性素子が、前記化学センサの反応領域の下部を画定する内面を含み、前記第２の絶縁体が、前記開口部の上部を画定する内面を含む、請求項１に記載の前記化学センサ。
  7. 前記伝導性素子が、前記化学センサの反応領域の底面を画定するように、前記浮遊ゲート導体の前記上面を横切って延伸する、請求項１に記載の前記化学センサ。
  8. 前記伝導性素子が、導電性材料を備え、前記伝導性素子の内面が、前記導電性材料の酸化物を含む、請求項１に記載の前記化学センサ。
  9. 前記化学センサの検知表面が、前記伝導性素子の内面を含む、請求項１に記載の前記化学センサ。
  10. 前記化学感応性電界効果トランジスタが、前記伝導性素子に近接して発生する化学反応に応答してセンサ信号を生成する、請求項１に記載の前記化学センサ。
  11. 化学センサの製造方法であって、
    上面を有する浮遊ゲート導体を含む化学感応性電界効果トランジスタを形成することと、
    前記浮遊ゲート導体の前記上面にまで延伸する開口部を画定する材料を形成することであって、前記材料が第２の絶縁体の下にある第１の絶縁体を備える、形成することと、
    前記浮遊ゲート導体の前記上面に接触し、かつ前記開口部の側壁に沿ってある距離を延伸する伝導性素子であって、前記距離が前記第１の絶縁体の厚さによって画定される、伝導性素子を形成することと、を含む、前記方法。
  12. 前記材料を形成すること及び前記伝導性素子を形成することが、
    前記浮遊ゲート導体上に前記第１の絶縁体を形成することであって、前記第１の絶縁体が前記浮遊ゲート導体の前記上面にまで延伸する空洞を画定する、形成することと、
    前記空洞内に前記伝導性素子を形成することと、
    前記伝導性素子上に前記第２の絶縁体を形成することと、
    前記伝導性素子を曝露するために、前記第２の絶縁体をエッチングすることと、を含む、請求項１１に記載の前記方法。
  13. 前記空洞内に前記伝導性素子を形成することが、
    伝導性材料を前記空洞内かつ前記第１の絶縁体の上面上に堆積することと、
    前記伝導性材料の少なくとも一部分を前記第１の絶縁体の前記上面から取り除くことと、を含む、請求項１２に記載の前記方法。
  14. 前記伝導性材料の少なくとも前記一部分を取り除くことが、前記第１の絶縁体の前記上面を曝露するために平面化プロセスを実施すること含む、請求項１３に記載の前記方法。
  15. 前記第２の絶縁体上にハードマスクを形成することをさらに含み、前記第２の絶縁体をエッチングすることが、エッチマスクとして前記ハードマスクを使用することを含む、請求項１２に記載の前記方法。
  16. 前記開口部が、前記第１の絶縁体内に下部、及び前記第２の絶縁体内に上部を含む、請求項１１に記載の前記方法。
  17. 前記伝導性素子が前記第１の絶縁体の上面にわたって延伸するように、前記開口部の下部の幅が上部の幅よりも小さい、請求項１６に記載の前記方法。
  18. 前記上部が、前記第２の絶縁体の内面によって画定される、請求項１６に記載の前記方法。
  19. 前記伝導性素子が、前記化学センサの反応領域の下部を画定する内面を含み、前記第２の絶縁体が、前記開口部の上部を画定する内面を含む、請求項１１に記載の前記方法。
  20. 前記伝導性素子が、前記化学センサの反応領域の底面を画定するように、前記浮遊ゲート導体の前記上面を横切って延伸する、請求項１１に記載の前記方法。
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