專利名稱：脫氧核醣核酸邏輯集成電路的制造方法
技術領域：
本發明涉及一種DNA集成電路的制造方法。利用雙鏈DNA做為半導體器件的基底，使用DNA染色技術、抗癌藥物與DNA之間的鑲嵌等原理，改變DNA分子的能隙，進而改變DNA的導電性，再利用DNA片斷鏈接單一的DNA電子器件，整合成為DNA電子器件網絡。
然而科學界已預言0.1微米工藝為光蝕刻技術的極限，因此若以光蝕刻技術為基礎的集成電路工藝技術，繼續向摩爾定律所預言的集成電路發展趨勢挺進，勢必面臨到一些瓶頸。如果嘗試以光蝕刻技術以外的方法來制作更微小的器件，或許可以提供另一種不同的思考路徑。
DNA是控制生物性狀表現的遺傳物質，J.Watson和F.Crick在1953年提出DNA的結構，并確立DNA在生命遺傳上的地位。它是一種很長的分子，由五碳糖、磷酸以及四種堿基所組成，這四種堿基分別是腺嘌呤(A，adenine)、胸腺嘧啶(T，thymine)、鳥嘌呤(G，guanine)和胞嘧啶(C，cytosine)。DNA具有雙螺旋(double helix)的立體結構，螺旋的直徑約為2nm，兩邊的雙鏈是由磷酸及脫氧核糖(deoxyribose)以磷酸雙酯鍵(phosphodiester bond)所串成的長鍵雙螺旋，中間以堿基作為連接橋，每十對堿基旋轉一圈，距離約3.4nm。另外，堿基之間有互補關系，即A和T配對，而G與C配對，它們以氫鍵的方式連在一起。因此只要知道DNA其中的一鏈堿基的序列就可以知道另一鏈的堿基序列，DNA的結構請參閱

圖1及圖2。
由于DNA的堿基之間會有互補的關系，使得一單鏈DNA會和另一鏈與其堿基序列互補的單鏈DNA之間具有非常好的識別與結合能力，搭配上一些具有自我合成(self-assembly)特性的分子，可以用來作為具有自我聚合能力的納米器件(nanometer-scale devices)的材料。通過堿基序列的設計，也可將DNA制作成三個方向、十字形以及網狀的結構(Seeman，N.C.(1982)J.Theoret.Biol.99237-247)。請參閱圖3。
D.Porath在2000年在Nature上證實當純粹以雙鏈DNA做為導線材料時，DNA的導電特性在半導體范圍。請參閱圖4。
現在已定序的DNA序列早已超出30億對，而本發明所述的摻質處理方法在醫學與生化工程方面的文章上發表過的也不計其數，將DNA沉積在金屬上的方法更不勝枚舉，但未曾有人提過任何方法來調整DNA的導電特性及摻雜處理后的整合。
由于DNA分子的直徑只有2nm左右，因此以這種非光蝕刻技術所制作的電子器件，不但避開了現今以光蝕刻技術為基礎的集成電路工藝線寬的瓶頸，而且DNA所具有的最小線寬只有2nm，遠小于現在半導體工業技術所能制作的最小線寬0.13μm。提供除光蝕刻技術外另一種集成電路的設計方法，更能向摩爾定律所預言的集成電路更微小化的趨勢發展。
一、DNA電子器件制備D.D.Eley探討過許多芳香族化合物(aromatic compounds)的導電特性，得知當π電子數目增加時，半導體的能隙會減小，20個π電子所組成的分子結晶，所具有的能隙大約是1.5±0.5eV；10個π電子所具有的能隙大約是3.0±1eV。
本發明發現DNA并不是很好的導電材料，但是垂直于雙螺旋方向的堿基具有π電子，堿基所具有的軌域會沿著中軸產生重疊，這種軌域重疊的現象可以促進DNA分子的導電性。根據DNA的雙螺旋結構，當雙鏈緊密結合的時候，每一對堿基對含有20個π電子；在DNA分子結合的不是很緊密的條件下，每一鏈DNA分子所具有的堿基含有的π電子數目是10個。因此DNA分子所具有的堿基含有的π電子數目介于10到20個之間，具有的能隙介于1.5±0.5eV和3.0±1eV之間。
本發明發現半導體材料的導電特性可以通過摻雜一些摻質來調整，使其可以用來作半導體器件的設計與制作。要應用DNA分子來作為半導體材料，須找到適合用來摻雜以改變其導電特性的離子或化合物。由于DNA分子所具有的特殊結構與性質，這樣的摻雜材料與摻雜方式和傳統半導體工藝所使用的并不相同，可以用來吸附或結合DNA分子的摻質通常是一些染色劑或抗癌藥物。
本發明發現Intercalator是一種可以連結DNA分子的化合物，是具有平面芳香雜環的陽離子，如ethidium，它們會插入DNA的雙螺旋結構中，造成DNA分子被排擠而延長以及螺旋直徑變小的現象。每隔1.02nm的距離可以插入一個intercalator分子，這些可以連結DNA分子的化合物包括了(Pt(terpyl)(SCH2CH2OH))+、[Pt(bpy)(en)]2+和[Pt(o-phen)(en)]2+等等。除此之外，還有一些可以連結DNA分子的平面金屬配位化合物(planarmetal complexes)，像是metal loporphyrins，如MPE-Fe(∏)和[Pt(AO-en)Cl2]等。這些多環化合物所具有的π電子以及金屬配位化合物中金屬所帶有的自由電子，都可以作為摻雜DNA分子的摻質，以調整DNA分子的導電特性。請參閱圖5。
本發明發現利用cisplatin這種白金化合物來處理DNA分子時，白金會連接上相鄰的兩個嘌呤的N7位置，因此利用cisplatin處理以d(GpG)或是d(ApG)所組成的DNA分子，以cisplatin連結d(pGpG)所形成的X光結構請參閱圖6。
二、DNA整合網絡(DNA devices)在許多固態器件中，通過摻雜了不同性質和濃度的摻質來調整半導體材料的特性，再利用導電性的變化設計出具有功能性的電子器件。其中一個例子就是p-n結(p-njunction)，就是具有p型摻質的半導體區域和具有n型摻質的半導體區域的接口部分。這樣的設計可以使電流只能由一個方向通過，我們將其稱之為二極管整流器(diode rectitiers)。它的電流與電壓關系請參閱圖7。(University Physics，p.1365，Fig.44-27)
1948年貝爾實驗室(Bell Labs)宣布研發出可以取代真空管的雙載子連接晶體管(BJT，bipolarjunction transistor)，主要的發明者是W.Shockley，J.Bardeen和W.Brattain等。這是一種包含了兩個p-n結所組成的電子器件，這兩個p-n結是以類似三明治的結構所組成的，它們的結構可能是p-n-p或是n-p-n的型式。這三個不同的區域分別稱為發射極(emitter)、基極(base)和集電極(collector)，這樣的設計不只可以作為開關(switch)，同時也可以作為放大器(amplifier)使用。它們的結構和電路請參閱圖8。(University Physics，p.1368，Fig.44-31，Fig.44-32)根據本發明DNA電子器件的整合實驗步驟中發現，由電泳結果證明DNA的單一器件可經過DNA片斷的作用而連結，不同導電特性的DNA器件連結在一起便具有p-n、p-n-p、n-p-n等的電子特性。以一個(100bp)的器件再加上一個(200bp)的器件處理之后，仍只有(300bp)。況且多數的DNA器件小于20bp(注1bp距離為0.34nm)，遠小于0.13μm工藝的蝕刻電極。橫跨兩電極之間的DNA，事實上已包含了多項電子器件的整合，可經過DNA序列的設計、不同的摻質處理控制器件的整合及表現。
圖9是DNA X-ray繞射結果；圖10是經[Pt(o-phen)(en)]2+摻雜處理后的DNA X-ray繞射結果；圖11是經ethidium摻雜處理后的DNA X-ray繞射結果；圖12是經銠釘錯合物摻雜處理后的DNA X-ray繞射結果；圖13是經[Pt(terpyl)(SCH2CH2)]摻雜處理后的DNA X-ray繞射結果；圖14是經cisplatin摻雜處理后的DNA X-ray繞射結果；圖15是DNA電子器件整合后的電泳結果。
2、利用聚合連鎖反應(PCR)制備雙鏈DNA；使用商業套裝GeneAmp PCR Reagent Kit及Ber Taq DNA polymerase Kit合成DNA。
3、酒精沉淀法(利用DNA形成的鹽類在酒精中溶解度極低的原理，將DNA與其它雜質分離出來)。
(1)在1ml溶液中加入10～20μL3.0的醋酸鈉后混合均勻。
(2)加入1mL的95％酒精混合均勻，置于-20℃環境約30～40分鐘。
(3)在4℃，13,000rpm下離心10分鐘，小心去除上層液。
(4)加入0.5mL酒精清洗DNA沉淀，在4℃，13,000rpm下離心10分鐘，小心去除上層液即得純化的DNA。
(二)摻質處理(透析法Dialysis)1、DNA與金屬配位化合物或DNA染色劑或治癌藥物作用，在總體積20mL的反應液中，包含最后濃度為2μM的DNA與10％的金屬配位化合物，以10mM的磷酸鈉(pH7.0)當緩沖溶液，置于25℃環境20分鐘。
2、以酒精沉淀法除去多余未與DNA反應的金屬配位化合物。
3、透析法(1)將DNA溶液置于1.5mL離心管，去除蓋口，以透析膜(MWcut-Off 1,000 Daltons)覆蓋封緊。
(2)將離心管倒置于裝入大量二次水與攪拌棒的500ml燒杯中，放上攪拌器，于4℃下攪拌，約1～2小時換水一次，持續4小時。
(3)在4℃，13,000rpm下離心10分鐘，離心后去除透析膜，置于真空干燥離心機中使DNA干燥。
(三)DNA電子器件的整合利用DNA片斷(Klenow Fragment)將經摻雜處理后的DNA器件接合。
1、使用商業套裝Circum Vent Thermal Cycle Dideoxy DNASequencing Kit標定DNA的5′端。
2、再利用商業套裝Klenow Fragment DNA Kit接合DNA器件。
3、以酒精沉淀法除去多余未與DNA接合的DNA片斷。
4、將DNA溶液滴置于涂滿凝膠的電極玻片上，在-20℃下通以2.5伏特的直流電80分鐘(利用膠體電場推動DNA帶負電端的原理，使DNA排序方向相同)固定DNA于薄膜電極玻片上。
5、將玻片平置于真空干燥柜中脫水(凝膠干燥脫水后并不導通，同時具有封裝的效果)。
實施例驗證
DNA器件導電特性測試及整合驗證一DNA電子器件測試(一)DNA測試電極的制備(旭龍科技提供)由于DNA器件的導電特性測試須要與現在的導電特性測量儀器結合，因此利用標準的光蝕刻技術，在玻片上沉積兩個距離為130nm薄膜金電極。
(二)DNA樣本的制備1、自Life Gibco BRL購得長度為130nm(328bp)的單鏈DNA。
2、利用聚合連鎖反應(PCR)制備雙鏈DNA，使用商業套裝GeneAmp PCR Reagent Kit及Ber Taq DNA polymerase Kit合成DNA。
3、酒精沉淀法(利用DNA形成的鹽類在酒精中溶解度極低的原理，將DNA與其它雜質分離出來)。
(三)摻質處理(透析法Dialysis)1、DNA與金屬配位化合物作用，在總體積20mL的反應液中，包含最后濃度為2μM的DNA與10％的金屬配位化合物，以10mM的磷酸鈉(pH7.0)當緩沖溶液，置于25℃環境20分鐘。
2、以酒精沉淀法除去多余未與DNA反應的金屬配位化合物。
3、透析法(1)將DNA溶液置于1.5mL離心管，去除蓋口，以透析膜(MWcut-Off 1,000 Daltons)覆蓋封緊。
(2)將離心管倒置于裝入大量二次水與攪拌棒的500ml燒杯，放上攪拌器，于4℃下攪拌，約1～2小時換水一次，持續4小時。
(3)在4℃，13,000rpm下離心10分鐘，離心后去除透析膜，置于真空干燥離心機中使DNA干燥。
4、將DNA溶液滴置于涂滿凝膠的電極玻片上，在-20℃下通以2.5伏特的直流電80分鐘(利用膠體電場推動DNA帶負電端使DNA排序方向相同)固定DNA于兩個距離為130nm薄膜金電極玻片上。
5、將玻片平置于真空干燥柜中脫水(凝膠干燥脫水后并不導通，同時具有封裝的效果)。
(四)X光繞射利用X光繞射儀，以了解DNA與摻質結合后的晶度。X光繞射結果請參閱圖9、10、11、12、13和圖14。
(五)導電特性量測將經過摻雜處理后的DNA玻片，以半導體器件參數量測分析系統(HP 4194)測量經摻雜處理后的DNA的能隙(eV)。見附表附表HP4194導電特性測量(eV)結果DNA電子器件 能隙(eV)DNA2.27±0.02DNA經Cisplatin處理 0.23±0.02DNA經[Pt(terpyl)(SCH2CH2)]處2.91±0.02DNA經Ethidium處理 3.44±0.02DNA經[Pt(bpy)(en)]2+處理 1.54±0.02DNA經[Pt(o-phen)(en)]2+處理 3.23±0.02DNA經銠釘錯合物處理3.01±0.02DNA經MPE-Fe(II)處理1.56±0.02
DNA經Ethiduim+cisplatin處理 0.01±0.02DNA器件導電特性測試及整合實施例驗證二DNA電子器件的整合測試(一)DNA樣本的制備1.自Perkin Elmer臺灣分公司購得單鏈DNA；21G(21bp)、19cs(19bp)、16cs(19bp)、pBR322-S14(14bp)、pBR322-3A1(17bp)、pBR322-5S1(17bp)、pBR322-3A2(18bp)、pBR322-5S2(18bp)。
2.利用聚合連鎖反應(PCR)制備雙鏈DNA；3.酒精沈淀法(利用DNA形成的鹽類在酒精中溶解度極低的原理，將DNA與其它雜質分離出來)。
(二)摻質處理(透析法Dialysis)(三)DNA電子器件的整合1.利用DNA片斷(Klenow Fragment)將經摻雜處理后的DNA器件接合。使用商業套裝Circum Vent Thermal Cycle Dideoxy DNASequencing Kit標定DNA之5′端。
2.再利用商業套裝Klenow Fragment DNA Kit接合DNA器件。以酒精沉淀法除去多余未與DNA接合DNA片斷。
3.利用Agarose Gel跑電泳。電泳結果請參閱圖15，由此可知DNA電子器件，可經過DNA片斷的作用鏈接在一起，并不是分散的片斷。
DNA整合器件的電泳相對位置Conditions20％acrylamide containing 7M ureaBuffer1XTBE(89mM Tris，89mM boric acid，2.5mM EDTA)Loading bufferformamide10XIBE＝9.1Voltage200V1)經cisplatin處理的19bp1)經[Pt(bpy)(en)]2+處理的4bp2)未經摻質處理的21bp 2)經[Pt(o-phen)(en)]2+處理的18bp3)經ethidium處理的17bp 3)將1)、2)接合的DNA4)經MPE-Fe(II)處理的18Base5)將1)、2)、3)、4)接合的DNADNA器件整合后電泳位置較預期偏移的多；因為整合器件本身帶電并不均勻(每一片段導通性不一)。
權利要求
1.一種脫氧核醣核酸邏輯集成電路的制造方法，是利用DNA制造電子器件或集成電路的方法，其特征在于該方法包括下列步驟用DNA作為制造半導體基底光電器件的材料；以聚合連鎖反應(PCR)制備雙鏈DNA，利用單鏈DNA(primer)當作引子，加入DNA聚合體及必要的緩沖溶液，置于PCR機器，使互補的兩條單鏈DNA粘接以制造大量固定序列的雙鏈DNA；以適當濃度的DNA染色劑溶液或適當濃度的治療癌癥藥物溶液或適當濃度的平面金屬配位化合物溶液當作摻雜介質，加入固定序列的雙鏈DNA溶液中，控制溶液中雙鏈DNA的導電特性；以核酸片斷，將各區段經摻雜處理后的DNA接合，以整合為DNA電子器件網絡。
2.根據權利要求1所述的脫氧核醣核酸邏輯集成電路的制造方法，其特征在于DNA的單一序列小于1000bp。
3.根據權利要求1所述的脫氧核醣核酸邏輯集成電路的制造方法，其特征在于摻質處理是利用DNA染色或標定法改變DNA分子的導電特性。
4.根據權利要求1所述的脫氧核醣核酸邏輯集成電路的制造方法，其特征在于摻質處理是利用DNA與抗癌藥物結合的原理來調整DNA的導電特性。
5.根據權利要求1所述的脫氧核醣核酸邏輯集成電路的制造方法，其特征在于摻質處理是利用Intercalator摻質調整DNA的導電特性。
6.根據權利要求1所的述脫氧核醣核酸邏輯集成電路的制造方法，其特征在于摻質處理是利用平面金屬配位化合物(planar metal complexes)調整DNA的導電特性。
全文摘要
本發明涉及一種去氧核醣核酸邏輯集成電路，利用雙鏈DNA做為半導體器件的基底，利用DNA染色技術、抗癌藥物與DNA之間的鑲嵌等原理，改變DNA分子的能隙，進而改變DNA分子的導電性。由于DNA分子的直徑只有2nm左右，因此以這種非光蝕刻技術所制作出的電子器件，不但避開了現在以光蝕刻技術為基礎的集成電路工藝中所遇到的線寬瓶頸，而且所具有的最小線寬只有2nm，遠小于現在半導體工業技術所能制作的最小線寬0.13μm(130nm)。用于提供光蝕刻技術外另一種集成電路設計的方法，使其能繼續向摩爾定律所預言的集成電路更微小化的趨勢發展。
文檔編號H01L31/0256GK1412832SQ0114167
公開日2003年4月23日 申請日期2001年10月8日 優先權日2001年10月8日
發明者陳柏瑞 申請人:陳柏瑞