JP6671274B2 - 薄伝導性素子を有する化学装置 - Google Patents
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- G01N27/4145—Ion-sensitive or chemical field-effect transistors, i.e. ISFETS or CHEMFETS specially adapted for biomolecules, e.g. gate electrode with immobilised receptors
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６１／８６８，９４２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。
本出願は、２０１３年８月２２日出願の米国仮特許出願第６１／８６８，９４２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、一般に、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。
様々な種類の化学装置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、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、ＤＮＡシーケンシング反応などの化学反応を監視するために使用され得る。例えば、参照によりその全体が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号を参照されたい。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装置を利用して、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、核酸シーケンシングを監視すること等であってもよい。
大規模化学装置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。そのため、低ノイズ化学装置を含む装置、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。
例示的な一実施形態において、化学装置が記載される。本センサは、互いに電気的に連結される複数の浮遊ゲート導体を備える浮遊ゲート構造体を含む、化学感応性電界効果トランジスタを含む。伝導性素子が、複数の浮遊ゲート導体内の一番上の浮遊ゲート導体の上に重なり、かつそれと通信している。該伝導性素子は、一番上の浮遊ゲート導体よりも幅広く、かつ薄くてもよい。本センサは、伝導性素子の上面にまで延伸する開口部を画定する絶縁体材料をさらに含む。例示的な実施形態に従って、本伝導性素子は、チタン、タンタル、窒化チタン、及びアルミニウム、ならびに／またはそれらの酸化物及び／もしくは混合物のうちの少なくとも１つを含み得る。別の実施形態に従って、化学装置内の隣接する伝導性素子間の距離は、約０．１８ミクロンである。さらに別の実施形態において、伝導性素子の厚さは、約０．１〜０．２ミクロンである。一実施形態において、複数の浮遊ゲート導体内の一番上の浮遊ゲート導体は、複数の浮遊ゲート導体内の他の浮遊ゲート導体の厚さよりも大きい厚さを有し得る。別の実施形態において、伝導性素子は、一番上の浮遊ゲート導体を備える材料とは異なる材料を備え得る。例示的な実施形態に従って、伝導性素子は、一番上の浮遊ゲート導体を備える材料とは異なる材料を備え得る。別の実施形態に従って、絶縁体材料の内面及び伝導性素子の上面は、化学装置のための反応領域の外面を画定する。さらに別の実施形態において、複数の浮遊ゲート導体は、アレイライン及びバスラインをさらに含む層内にある。一実施形態において、本化学装置は、化学感応性電界効果トランジスタを含むセンサ領域と、化学感応性電界効果トランジスタから信号を獲得するための周辺電気回路構成を含む周辺領域とを含む。一実施形態において、伝導性素子は、センサ領域内のみにある伝導性層内にある。別の実施形態において、伝導性素子は、周辺領域内ではない場所に材料を備える。例示的な実施形態に従って、化学感応性電界効果トランジスタは、互いに電気的に連結され、かつ絶縁体層によって分離される複数の導体を備える浮遊ゲート構造体を含み、浮遊ゲート導体は、複数の導体内の一番上の導体であり得る。別の実施形態に従って、絶縁体材料の第１の層は、窒化ケイ素であり得、第２の層は、二酸化ケイ素及びオルトケイ酸テトラエチルのうちの少なくとも１つであり得、第２の層が開口部の側壁を画定する。一実施形態において、本化学装置は、化学感応性電界効果トランジスタと流体流動連通しており、かつシーケンシングのために検体を送達するように配置される、微小流体構造体をさらに備え得る。
別の例示的な実施形態において、化学装置の製造方法が記載される。本方法は、互いに電気的に連結される複数の浮遊ゲート導体を備える浮遊ゲート構造体を含む、化学感応性電界効果トランジスタを形成すること含む。本方法は、複数の浮遊ゲート導体内の一番上の浮遊ゲート導体の上に重なり、かつそれと通信している伝導性素子を形成することをさらに含む。伝導性素子は、一番上の浮遊ゲート導体よりも幅広く、かつ薄い。本方法は、伝導性素子の上面にまで延伸する開口部を画定する絶縁体材料を形成することをさらに含む。例示的な実施形態に従って、伝導性素子の上面は、化学センサのための反応領域の底面を画定する。別の実施形態に従って、絶縁体材料の内面及び伝導性素子の上面は、化学センサのための反応領域の外側境界を画定する。さらに別の実施形態において、伝導性素子は、化学装置のセンサ領域内のみにある伝導性層内に形成される。
本明細書内に記載される本主題のもう１つの実装の特定の態様が、以下の図面及び説明において記載される。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。
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装置を含む化学装置が、記載される。化学装置のセンサは、複数の浮遊ゲート導体の一番上の浮遊導体上に堆積される検知層を有する複数の浮遊ゲート導体を備え得る。しかしながら、出願者らは、検知専用である複数の浮遊ゲート導体の一番上の浮遊導体の上に追加層を追加することが、技術的課題及び追加層のコストを克服する利点を有することを発見している。例えば、出願者らは、本明細書に記載される化学装置における利点が、強化されたリソグラフィプロセスマージン（例えば、開口部の位置ずれ及び／または焼損を防ぐ）を提供すること、ならびに検知区域が一番上の浮遊ゲート導体の直接上にあった場合に可能であろう開口部よりも大きな開口部を絶縁体内に提供すること（例えば、開口部が大きいほどより多くの信号に対応することができる）を含むことを発見している。
本明細書内に記載される例示的な化学装置は、検知のための専用の層を備え得る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、伝導性素子は、一番上の浮遊ゲート導体の上に重なり、かつそれと通信している。一番上の浮遊ゲート導体は、化学装置にアクセスする／動力を供給するためのアレイライン（例えば、ワードライン及びビットライン等）及びバスラインを提供するために使用され得るため、一番上の浮遊ゲート導体は、好適な材料または材料の混合物、及びそのために十分な厚さでなければならない。伝導性素子は化学装置の基板上の異なる層内にあるため、伝導性素子は、一番上の浮遊ゲート構造体の材料及び厚さから独立した専用検知表面積として機能し得る。例えば、伝導性素子は、検知表面積が比較的大きくあり得るように、一番上の浮遊ゲート導体よりも幅広くてもよい。例えば、伝導性素子は、検知表面積が検知のための増加した感応性を提供することができるように、一番上の浮遊ゲート導体よりも薄くてもよい。結果として、低ノイズ化学装置を、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。
さらに、一番上の浮遊ゲート導体を、プロセス限界に追い込む必要はなく、隣接する浮遊ゲート導体は、高電流を通すために好適な厚さ（すなわち、低抵抗率）を有するべきであるが、隣接する浮遊ゲート導体間の間隔はプロセス設計ルールによって許可される最小間隔である必要はない。一番上の浮遊ゲート導体のために使用される材料（複数可）は、高電流に好適であるべきである。一番上の浮遊ゲート導体の上に重なり、かつそれと通信している伝導性素子を提供することは、伝導性素子が一番上の浮遊ゲート導体とは異なる層上にあるため、伝導性素子のための材料の選択により大きな自由を提供する。
図１は、例示的な実施形態に従う核酸シーケンシング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、弁閉鎖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装置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を通って流され得、かつフローセル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及び弁閉鎖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、本明細書内に記載されるような反応領域のアレイを含み、それは、センサアレイ内の対応する化学装置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装置に連結され得る。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装置を読み込むために、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装置から集積回路装置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。化学装置の出力信号の値は、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、全て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装置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。
例示的な実施形態において、実験中、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。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装置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内に拡散する試薬が基準電極１０８に達する量がほとんどまたは全くないように、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。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の化学装置は、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の化学装置は、例えば、イオン高感度電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）などの化学的高感度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装置及びアレイ構成の例は、それぞれが参照によりそれらの全体が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２０１０／０１３０７ａ４３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、例示的な実施形態に従う２つの代表的な化学装置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、数百万の化学装置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つの化学装置３５０、３５１が示される。化学装置３５０は、対応する反応領域３０１に連結され、化学装置３５１は、対応する反応領域３０２に連結される。化学装置３５０は、センサアレイ内の化学装置の代表である。例証される実施例において、化学装置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。化学装置３５０は、伝導性素子３０７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に例証されるように、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。例証される実施例において、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。化学装置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、かつゲート絶縁体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、絶縁体材料は、絶縁体材料の不在によって画定される開口部内にあり得る反応領域３０１を画定する。絶縁体材料３０３は、二酸化ケイ素もしくは窒化ケイ素、または任意の他の好適な材料もしくは材料の混合物など、材料の１つ以上の層を備え得る。開口部の寸法及びそれらの傾斜は、実装ごとに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。
化学装置３５０は、複数の浮遊ゲート導体内の一番上の浮遊ゲート導体の上に重なり、かつそれと通信している伝導性素子３０７を含む。図３に例証されるように、伝導性素子は、一番上の浮遊ゲート導体よりも幅広く、かつ薄い。例証される実施形態において、絶縁体材料は、伝導性素子の上面にまで延伸する開口部を画定する。伝導性素子３０７の上面３０７ａは、化学装置のための反応領域の底面を画定する。別の見方をすると、伝導性素子３０７の上面３０７ａ、及び絶縁体材料１３１６の内面１３１６ａの下部は、化学装置のための反応領域の底領域を画定する。伝導性素子３０７は、反応領域の幅Ｗ’よりも広い幅Ｗを有し得る。一実施形態に従って、化学装置内の隣接する伝導性素子間の距離３３３は、約０．１８ミクロンである。別の実施形態に従って、伝導性素子の厚さ３３４は、約０．１〜０．２ミクロンである。一実施形態において、複数の浮遊ゲート導体内の一番上の浮遊ゲート導体は、複数の浮遊ゲート導体内の他の浮遊ゲート導体の厚さ３３５’よりも大きい厚さ３３５を有し得る。別の実施形態において、伝導性素子３７０は、一番上の浮遊ゲート導体を備える材料とは異なる材料を備え得る。
伝導性素子３０７の上面３０７ａは、化学装置３５０のための検知表面として機能する。本開示全体にわたって論じられるような伝導性素子は、製造プロセス中に使用される材料／エッチングの技術／作成プロセス等に応じて、様々な形状（幅、高さ等）で形成され得る。伝導性素子３０７は、特定のイオン（例えば、水素イオン）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。例示的な実施形態に従って、本伝導性素子は、チタン、タンタル、窒化チタン、及びアルミニウム、ならびに／またはそれらの酸化物及び／もしくは混合物のうちの少なくとも１つを含み得る。伝導性素子３０７は、化学装置３５０が、小さな検知表面に関連するノイズ問題を回避するために十分に大きな表面積を有することを可能にする。化学装置の平面面積を、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、反応領域３０１は、伝導性素子３０７の上面３０７ａ、及び絶縁体材料１３１６の内面１３１６ａによって画定されるため、検知表面積は、反応領域３０１の深さ及び円周次第であり、比較的大きくてもよい。結果として、低ノイズ化学装置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、伝導性素子３０７の材料の薄酸化物が上面３０７ａ上に成長し得、それは化学装置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。例えば、一実施形態において、導電性素子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上面３０７ａ上で成長し得る。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。例証される実施形態において、伝導性素子３０７は、材料の単一層として示される。より一般的には、導電性素子は、実装に応じて、金属もしくはセラミックス、または任意の他の好適な伝導性材料もしくは材料の混合物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、イリジウム、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３０７の上面３０７ａ上に堆積される。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、実装に応じて使用され得る。
再度図３を参照すると、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。化学装置３５０は、伝導性素子３０７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、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、検体溶液と伝導性素子３０７の上面３０７ａ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、それが今度は化学装置３５０の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、化学装置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。
図４〜１４に関して下により詳細に記載されるように、伝導性素子３０７は、一番上の浮遊ゲート導体３２０の上に重なり、かつそれと通信している。伝導性素子は、一番上の浮遊ゲート導体よりも幅広く、かつ薄い。電荷３２４は、反応領域３０１の底部近くでより高濃度であり得るため、いくつかの実施形態において、伝導性素子の寸法の変動は、電荷３２４に応答して検出される信号の振幅に重大な効果を与え得る。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、伝導性素子３０７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、または急速に他の構成物質を崩壊する、もしくはそれと反応する場合、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、ゲルを含む固体もしくは多孔質等であり得る。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。固相支持体は、当業者によって理解されるように、様々なサイズであってよい。さらに、固体支持体は、様々な場所で開口部内に配置され得る。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、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）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装置の測定された出力信号に基づき、化学装置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４〜１４は、例示的な実施形態に従う化学装置のアレイ及び対応するウェル構造体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、化学装置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を例証する。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、化学装置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。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装置が実装される装置及びアレイ構成に応じて、化学装置を操作するために使用される、化学装置にアクセスするためのアレイライン（例えば、ワードライン、ビットライン等）、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、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、それぞれが上記参照によりそれらの全体が組み込まれた、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２０１０／０１３０７１ａ４３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。
図５に例証される構造体５００内に例証されるように、絶縁体材料５０３は、化学装置３５０の電界効果トランジスタのセンサプレート３２０上に形成され得る。次に、図６に例証されるように、図５内の構造体５００の絶縁体材料５０３をエッチングして、化学装置３５０、３５１の浮遊ゲート構造体の上面にまで延伸する開口部６１８、６２０（ビアのため）を形成し、図６に例証される構造体６００をもたらす。開口部６１８、６２０は、例えば、絶縁体材料５０３上にフォトレジストの層をパターン形成して、開口部６１８、６２０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エッチマスクとして使用して絶縁体材料５０３を異方性エッチングする、リソグラフィプロセスを使用して形成され得る。絶縁体材料５０３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。例証される実施形態において、開口部６１８、６２０は、距離６３０によって分離され、開口部６１８、６２０は、ビアのための好適な寸法である。例えば、分離距離６３０は、開口部６１８、６２０を形成するために使用されるプロセス（例えば、リソグラフィプロセス）のための最小形状であり得る。そのような場合、距離６３０は、幅６２０よりも著しく大きくてもよい。次に、伝導性材料７０４の層を図６に例証される構造体６００上に堆積し、図７に例証される構造体７００をもたらす。伝導性材料７０４は、伝導性ライナーと称され得る。伝導性材料７０４は、導電性材料の１つ以上の層を備え得る。例えば、伝導性材料７０４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、導電性素子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７０４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、タングステンなどの伝導性材料８０５の層を図７に例証される構造体７００上に堆積し、図８に例証される構造体８００をもたらす。伝導性材料８０５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、または任意の他の好適な技術などの、様々な技術を使用して堆積され得る。次に、伝導性材料７０４及び伝導性材料８０５を、化学的機械研磨（ＣＭＰ）プロセスを使用して平面化し、例えば、図９に例証される構造体９００をもたらす。任意の追加の工程として、ビアバリアライナー１００６を、平面化した伝導性材料７０４及び伝導性材料８０５の上に形成し、図１０に例証される構造体１０００をもたらす。例えば、ビアバリアライナー１００６は、窒化チタンであり得る。ビアバリアライナー１００６が図１１〜１４内に例証されるが、ビアバリアライナー１００６は任意である。
次に、伝導性材料１１０７をビアバリアライナー１００６上に形成し、図１１に例証される構造体１１００をもたらす。任意に、伝導性材料１１０７を、平面化した伝導性材料７０４及び伝導性材料８０５の上に直接形成してもよい。例えば、伝導性材料１１０７はタンタルであり得る。次に、伝導性材料１１０７をエッチングして、ビアバリアライナー１００６にまで延伸する開口部１２０８、１２１０、１２１２を形成し、図１２に例証される構造体１２００をもたらす。開口部１２０８、１２１０、１２１２は、例えば、伝導性材料１１０７上にフォトレジストの層をパターン形成して、開口部１２０８、１２１０、１２１２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エッチマスクとして使用して絶縁体材料５０３を異方性エッチングする、リソグラフィプロセスを使用して形成され得る。伝導性材料１１０７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。例証される実施形態において、開口部１２０８、１２１０、１２１２は距離１２３０Ｌによって分離される。伝導性素子１１０７は、高さ１２３０Ｈを有する。伝導性素子１１０７の高さ１２３０Ｌは、センサプレート３２０の高さ３２０Ｌよりも大きい。伝導性素子１１０７の厚さ１２３０Ｈは、センサプレート３２０の厚さ３２０Ｈよりも小さい。伝導性材料１１０７内の伝導性材料素子間の間隔（すなわち、１２２０）は、センサプレート間の間隔（すなわち、１２２０’）よりも小さい。伝導性素子は、一番上の浮遊ゲート導体の直接上にある、及び／またはそれと一直線である必要はない。
次に、絶縁体材料１３１６を図１２に例証される構造体１２００上に形成し得、図１３に例証される構造体１３００をもたらす。例えば、絶縁体材料１３１６は、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）、または二酸化ケイ素であり得る。次に、図１３内の構造体１３００の絶縁体材料１３１６をエッチングして、化学装置３５０、３５１の浮遊ゲート構造体の上面にまで延伸する開口部１４１８、１４２０を形成し、図１４に例証される構造体１４００をもたらす。
図１５は、ある実施形態に従う、例示的なセンサ領域及び例示的な周辺領域を含む例示的な化学装置のブロック図を例証する。化学装置１５００は、化学感応性電界効果トランジスタを含むセンサ領域１５０１と、化学感応性電界効果トランジスタから信号を獲得するための周辺電気回路構成を含む周辺領域１５０３とを含み得る。一実施形態において、伝導性素子は、センサ領域１５０１内のみにある伝導性層内にある。別の実施形態において、伝導性素子は、周辺領域１５０３内ではない場所に材料を備える。図１５に例証されるセンサ領域及び周辺領域は、形状もしくはサイズ、または場所、例えば、化学装置上、に関して制限するものではない。
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 (18)
- 化学装置であって、
互いに電気的に連結される複数の浮遊ゲート導体を備える浮遊ゲート構造体を含む、化学感応性電界効果トランジスタと、
前記複数の浮遊ゲート導体内の一番上の浮遊ゲート導体であるセンサプレートの上に重なり、かつセンサプレートとビアを介して通信している伝導性素子であって、前記センサプレートよりも幅広く、かつ薄い、伝導性素子と、
前記伝導性素子の上面にまで延伸する開口部を画定する絶縁体材料と、を備える、前記化学装置。 - 前記伝導性素子が、チタン、タンタル、窒化チタン、及びアルミニウム、ならびに／またはそれらの酸化物及び／もしくは混合物のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の前記化学装置。
- 前記化学装置内の隣接する伝導性素子間の距離が、約０．１８ミクロンである、請求項１に記載の前記化学装置。
- 前記伝導性素子の厚さが、約０．１〜０．２ミクロンである、請求項１に記載の前記化学装置。
- 前記複数の浮遊ゲート導体内の前記センサプレートが、前記複数の浮遊ゲート導体内の他の浮遊ゲート導体の厚さよりも大きい厚さを有する、請求項１に記載の前記化学装置。
- 前記伝導性素子が、前記センサプレートを備える材料とは異なる材料を備える、請求項１に記載の前記化学装置。
- 前記絶縁体材料の内面及び前記伝導性素子の前記上面が、前記化学装置のための反応領域の外面を画定する、請求項１に記載の前記化学装置。
- 前記複数の浮遊ゲート導体が、アレイライン及びバスラインを含む層内にある、請求項１に記載の前記化学装置。
- 前記化学感応性電界効果トランジスタを含むセンサ領域と、前記化学感応性電界効果トランジスタから信号を獲得するための周辺電気回路構成を含む周辺領域と、を含む、請求項１に記載の前記化学装置。
- 前記伝導性素子が、前記センサ領域内のみにある伝導性層内にある、請求項９に記載の前記化学装置。
- 前記伝導性素子が、前記周辺領域内ではない場所に材料を備える、請求項９に記載の前記化学装置。
- 前記化学感応性電界効果トランジスタが、互いに電気的に連結され、かつ絶縁体層によって分離される複数の導体を備える浮遊ゲート構造体を含み、前記複数の導体内の一番上の導体がセンサプレートである、請求項１に記載の前記化学装置。
- 前記絶縁体材料の第１の層が、窒化ケイ素であり、第２の層が、二酸化ケイ素及びオルトケイ酸テトラエチルのうちの少なくとも１つであり、前記第２の層が前記開口部の側壁を画定する、請求項１に記載の前記化学装置。
- 前記化学感応性電界効果トランジスタと流体流動連通しており、かつシーケンシングのために検体を送達するように配置される微小流体構造体をさらに備える、請求項１に記載の前記化学装置。
- 化学装置の製造方法であって、
互いに電気的に連結される複数の浮遊ゲート導体を備える浮遊ゲート構造体を含む、化学感応性電界効果トランジスタを形成することと、
前記複数の浮遊ゲート導体内の一番上の浮遊ゲート導体であるセンサプレートの上に重なり、かつセンサプレートとビアを介して通信している伝導性素子を形成することであって、前記伝導性素子が前記センサプレートよりも幅広く、かつ薄く、形成することと、
前記伝導性素子の上面にまで延伸する開口部を画定する絶縁体材料を形成することと、を含む、前記製造方法。 - 前記伝導性素子の前記上面が、前記化学装置のための反応領域の底面を画定する、請求項１５に記載の化学装置の前記製造方法。
- 前記絶縁体材料の内面及び前記伝導性素子の前記上面が、前記化学装置のための反応領域の外側境界を画定する、請求項１５に記載の化学装置の前記製造方法。
- 前記伝導性素子が、前記化学装置のセンサ領域内のみにある伝導性層内に形成される、請求項１５に記載の化学装置の前記製造方法。
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