專利名稱：傳感器裝置及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器裝置，具體地涉及用于分析流體樣品的傳感器裝置。而且，本發(fā)明涉及制造傳感器裝置的方法。
背景技術(shù)：
生物傳感器可以表示為可以用于被分析物的檢測并可以將生物元件與物理化學(xué)或物理檢測器元件結(jié)合在一起的裝置。聚合物(特別是核酸)的快速、可靠且便宜的表征已經(jīng)日益變得重要?？梢栽趩畏肿铀教綔y并直接讀出雜交狀態(tài)、堿基堆積、以及關(guān)鍵生物聚合物(如DNA、RNA、甚至蛋白質(zhì)之類的細(xì)胞)的序列的高吞吐量裝置將顯著地改變生物學(xué)發(fā)展的速度。例如，US 5，795，782披露了偏壓可以驅(qū)動(dòng)單鏈荷電多核苷酸通過脂雙層中的1_2納米的跨膜通道。 通道離子電流中的變化形式的數(shù)據(jù)在分子和原子水平提供了對生物聚合物的表征和結(jié)構(gòu)的深刻理解。單個(gè)鏈通過通道可以被觀察為離子電流的瞬時(shí)減少。采用生物隔膜和微孔的試驗(yàn)已經(jīng)展示出對轉(zhuǎn)位分子(translocating molecule)的結(jié)構(gòu)具有特別的電子靈敏度。然而，常規(guī)方法和裝置可能仍然存在一些關(guān)于流體樣品的表征或區(qū)分流體樣品的不同組分的可靠性的問題。

發(fā)明內(nèi)容
因此，對于可以更加可靠地區(qū)分流體樣品或被分析物，特別是DNA鏈的DNA堿基的不同組分或部分的傳感器裝置存在著需求。為了滿足上述需求，提供了根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的傳感器裝置和制造傳感器裝置的方法。在從屬權(quán)利要求中描述了其它增強(qiáng)方面。根據(jù)一個(gè)示例性方面，提供了用于分析流體樣品的傳感器裝置，其中該傳感器裝置包括包含至少三個(gè)感測層的堆疊感測配置和多層結(jié)構(gòu)，其中多層結(jié)構(gòu)具有形成在其中的適于讓流體樣品通過的孔，并且其中堆疊感測配置以在流體樣品通過孔時(shí)流體樣品通過堆疊感測配置的方式形成在多層結(jié)構(gòu)中。具體地，例如，所述孔可以為具有圓形或矩形橫截面的納米孔。納米孔的直徑或?qū)挾瓤梢孕∮?0nm，具體地小于lOnm，更具體地小于5nm，如，小于2nm。所述孔可以為通孔， 如，穿過整個(gè)多層結(jié)構(gòu)的孔。因此，所述孔可以使得流體樣品，如，被分析物，流過所述孔并因此流過多層結(jié)構(gòu)。例如，流過所述孔的流體樣品可以在每個(gè)感測配置的兩部分之間形成間隔，即堆疊感測配置的每一層的一部分可以設(shè)置在所述孔的一側(cè)，而堆疊感測配置的每一層的其它部分可以設(shè)置在所述孔的相對側(cè)，如，堆疊感測配置的層可以形成限定所述孔的壁的一部分，然而，堆疊感測配置的每一層的所述部分可以電絕緣，其中所述孔和/或流體樣品可以形成所述兩部分之間的電絕緣。此外，可以設(shè)置密封層，其形成所述孔的側(cè)壁， 并將堆疊感測配置和流過所述孔的流體樣品彼此隔離。根據(jù)一個(gè)示例性方面，提供了一種用于分析流體樣品的傳感器陣列，其中該傳感器陣列包括根據(jù)示例性方面的多個(gè)傳感器裝置。具體地，所述多個(gè)傳感器裝置可以形成在包括多個(gè)孔的單個(gè)多層結(jié)構(gòu)中，每個(gè)孔與對應(yīng)的堆疊感測配置相關(guān)聯(lián)。根據(jù)一個(gè)示例性方面，提供了一種制造堆疊感測配置的方法，該堆疊感測配置用于傳感器裝置，該傳感器裝置用于分析流體樣品的組分，其中該方法包括提供包括堆疊感測配置的多層結(jié)構(gòu)，并形成穿過堆疊感測配置的孔，其中所述孔適于讓流體樣品通過。具體地，所述孔的形成可以標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)，如蝕刻進(jìn)行。然而，每一種適合的方法可以用來形成所述孔，如電子束、離子束等。在形成所述孔之后，可以對所述孔進(jìn)行修改或處理。例如，在一些情況中，可以根據(jù)需要改變所述孔的尺寸。一種可行的改變可以是通過在所述孔的側(cè)壁上沉積或形成間隔物(spacer)而減小所述尺寸。具體地，例如，所述多層結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)層可以形成位于堆疊感測配置之上或之下的停止層，其可以用于進(jìn)一步的處理步驟， 如，蝕刻步驟或拋光步驟。例如，堆疊感測配置可以多個(gè)感測層，即，適于實(shí)時(shí)測量表示在該點(diǎn)通過感測層的流體樣品的具體特性的信號的層。根據(jù)特定實(shí)施方式，感測層可以為導(dǎo)電層。術(shù)語"傳感器陣列"可以具體地表示多個(gè)傳感器或傳感器裝置的例如成規(guī)則圖案(如矩陣圖案)的配置。這種傳感器陣列的傳感器的數(shù)量可以大于兩個(gè)，具體地大于10 個(gè)，更具體地大于100個(gè)。 術(shù)語“傳感器裝置“可以具體地表示可以用于檢測流體樣品或被分析物的任何裝置。可以根據(jù)示例性實(shí)施方式實(shí)現(xiàn)的傳感器的示例是氣體傳感器、生物傳感器、PH傳感器，濕度傳感器等。根據(jù)一種實(shí)施方式，該傳感器裝置所基于的原理可以為電傳感器原理， 其可以根據(jù)例如通過采用堆疊感測配置的電測量檢測流體樣品或顆粒。術(shù)語"流體樣品"可以具體地表示任何物質(zhì)狀態(tài)的子集。這種流體可以包括液體、氣體、等離子體，和在某種程度上為固體，以及其混合物。流體樣品的示例為包含DNA的流體、包含細(xì)胞的流體、血液、皮下組織中的間隙液體、肌肉或腦組織、尿或其它體液。例如， 流體樣品可以為生物物質(zhì)。這種物質(zhì)可以包括蛋白質(zhì)、多肽、核酸、DNA鏈等。而且，流體樣品可以包括顆粒，如，分子、有機(jī)分子、生物顆粒、DNA、RNA、蛋白質(zhì)、氨基酸、珠子(bead)、納米珠(nano-beads)、納米管等，特別是生物顆粒，如，在生物學(xué)或在生物或生物化學(xué)程序中扮演重要作用的任何顆粒，如基因、DNA、RNA、蛋白質(zhì)、酶、細(xì)胞、細(xì)菌、病毒等。術(shù)語"感測層"可以具體地表示能夠單獨(dú)或與其它感測層結(jié)合以檢測流體樣品的諸如電的、介電的、磁的或光學(xué)特性之類的具體特性的材料層。感測層可以由導(dǎo)電材料 (Ta、TaN, Cu、Al、Ti...)或?qū)щ姴牧系慕M合組成。感測層可以完全或部分覆蓋多層結(jié)構(gòu)。 它可以被圖案化。術(shù)語"堆疊感測配置"可以具體地表示數(shù)個(gè)感測層，例如至少三個(gè)感測層的配置，其中感測層配置在彼此之上，并具有設(shè)置在其間的電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層用于電絕緣感測層，使得可以形成多個(gè)獨(dú)立的感測配置。術(shù)語"彼此之上"可以具體地表示堆疊感測配置可以具有近似二維范圍，即沿兩個(gè)維度的范圍比沿第三個(gè)維度的范圍大很多，并且感測層相對于第三方向，即具有小范圍的方向堆疊或堆積。每個(gè)感測層可以適于進(jìn)行通過的流體樣品的特定特性的獨(dú)立測量，其中所述測量可以基于流體樣品或流體樣品中的顆粒的電的、介電的、磁的或光學(xué)特性。感測層的組合可以適于進(jìn)行通過的流體樣品的特定特性的測量，其中所述測量可以基于流體樣品或流體樣品中的顆粒的電的、介電的、磁的或光學(xué)特性。通過設(shè)置包括堆疊感測配置的傳感器裝置，能夠?yàn)橥ㄟ^堆疊感測配置的一種相同流體樣品或被分析物進(jìn)行多次測量。因此，能夠在之后進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和/或誤差消除處理，因?yàn)榱黧w樣品，如，DNA,可以一個(gè)接一個(gè)地面對所述孔的數(shù)個(gè)感測層，或者可以面對感測層的組合。而且，堆疊感測配置的使用使得能夠具有下述可能性，即將感測層設(shè)置為彼此靠近，以便可以實(shí)現(xiàn)關(guān)于流體樣品的不同組分的良好分辨率。具體地，能夠形成提供下述可能性的感測層配置，即可以進(jìn)行流體樣品的順序"讀取"或分析。例如，當(dāng)DNA鏈穿過所述孔并因此穿過堆疊感測配置時(shí)，甚至能夠區(qū)分DNA鏈的不同DNA堿基。此外，堆疊感測配置的使用使得能夠在多層結(jié)構(gòu)中實(shí)施數(shù)個(gè)金屬層，以便還可以在多層結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)集成電路。例如，能夠?qū)㈦娮釉稍诙鄬咏Y(jié)構(gòu)中，如，片上放大或片上信號處理是可行的。此外，包括多個(gè)傳感器裝置的傳感器陣列的設(shè)置可以導(dǎo)致檢測或分析流體樣品的并行性的增加?？蛇x地，傳感器裝置或傳感器陣列可以設(shè)置在襯底上或中，所述襯底可以形成傳感器裝置或傳感器陣列的支撐，和/或也可以支撐或?qū)崿F(xiàn)適于進(jìn)行由通過的流體樣品誘導(dǎo)或引起的信號的某些測量或處理的集成電路。接下來，將說明傳感器裝置的其它示例性實(shí)施方式。然而，這些實(shí)施方式也適用于傳感器陣列，并適用于制造用于傳感器裝置的堆疊感測配置的方法。根據(jù)傳感器裝置的一個(gè)示例性實(shí)施方式，堆疊感測配置由感測層堆疊形成。因此，術(shù)語"感測層堆疊"可以具體地表示至少三個(gè)感測層的配置，其中感測層設(shè)置在彼此之上并具有設(shè)置在其間的電介質(zhì)層，所述電介質(zhì)層用于電絕緣感測層，以便可以由兩個(gè)感測層形成電容或電容器。術(shù)語"彼此之上"可以具體地表示感測層堆疊可以具有近似二維范圍。所有的感測層可以具有相同的尺寸或可以具有不同的尺寸。感測層可以數(shù)個(gè)電容器的一部分，例如，它可以與正上面的感測層一起形成電容器，并與正下面的感測層一起形成電容器。通過提供包括感測層堆疊的傳感器裝置，能夠進(jìn)行通過所述多個(gè)電容的一種相同流體樣品或被分析物的多次測量。為了測量與流體樣品的通過相關(guān)聯(lián)的信號，可以測量感測層中的電壓變化、兩個(gè)感測層之間的阻抗測量、和/或由兩個(gè)感測層之間的隧穿或共振隧穿引起的電流。而且，感測層堆疊的使用使得能夠具有下述可能性，即將感測層設(shè)置為彼此靠近，以便可以實(shí)現(xiàn)關(guān)于流體樣品的不同組分的良好分辨率。具體地，能夠形成提供下述可能性的感測層配置，即可以進(jìn)行流體樣品的順序"讀取"或分析。例如，當(dāng)DNA鏈穿過所述孔并因此穿過堆疊感測配置時(shí)，甚至能夠區(qū)分DNA鏈的不同DNA堿基。根據(jù)傳感器裝置的一個(gè)示例性實(shí)施方式，感測層堆疊包括至少三個(gè)感測層，所述至少三個(gè)感測層設(shè)置在彼此之上并由設(shè)置在感測層之間的電介質(zhì)層彼此電絕緣。具體地， 感測層堆疊可以是平坦的，即，基本上具有二維范圍的分層結(jié)構(gòu)，即，在兩個(gè)維度上具有相對大的方向，而在第三維度上，如厚度，與其它二維相比，范圍小，如，所述厚度小于感測層堆疊的寬度和/或長度范圍的十分之一或者甚至小于百分之一。根據(jù)傳感器裝置的一個(gè)示例性實(shí)施方式，感測層具有小于IOnm的厚度。具體地， 所述厚度可以小于5nm，或者甚至小于2nm。優(yōu)選地，所述厚度可以小于lnm，如，在0. Inm和 0. 5nm之間的范圍內(nèi)。根據(jù)傳感器裝置的一個(gè)示例性實(shí)施方式，電介質(zhì)層的厚度小于lOnm。具體地，電介質(zhì)層的厚度可以小于5nm，或者甚至小于3nm。優(yōu)選地，電介質(zhì)層的厚度可以小于lnm。通過設(shè)置具有這種小的厚度的感測層和/或在不同層的感測層之間設(shè)置這種小的厚度的電介質(zhì)層，能夠分析或區(qū)分流體樣品或流體樣品中的顆粒中的非常小或短的組分、部分。例如，在流體樣品包括DNA鏈的情況中，可能的是，甚至可以將單個(gè)堿基彼此區(qū)分開。根據(jù)傳感器裝置的一個(gè)示例性實(shí)施方式，電介質(zhì)層的厚度小于lOnm。具體地，電介質(zhì)層的厚度可以小于5nm，或者甚至小于3nm。優(yōu)選地，電介質(zhì)層的厚度可以小于lnm。根據(jù)傳感器裝置的一個(gè)示例性實(shí)施方式，該傳感器裝置還包括耦合至堆疊感測配置的感測層的集成電路配置。具體地，所述集成電路配置可以包括在多層結(jié)構(gòu)中或者形成多層結(jié)構(gòu)的一部分。 例如，所述集成電路配置可以包括類似晶體管、存儲器、處理器等之類的電子元件，其可以由已知的半導(dǎo)體技術(shù)，例如由CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。所述集成電路配置可以形成用于檢測流體樣品或被分析物的組分的檢測系統(tǒng)的一部分，并且甚至可以包括用于處理通過采用所述堆疊感測配置檢測的信號的處理器或其一部分。而且，所述集成電路配置可以包括某種放大器， 其也可以以CMOS技術(shù)形成并且其可以適于為由堆疊感測配置提供的信號提供放大。根據(jù)傳感器裝置的一個(gè)示例性實(shí)施方式，所述感測層中的至少一個(gè)適于驅(qū)動(dòng)流體樣品。接下來，將說明用于制造用于傳感器裝置的堆疊感測配置的其它示例性實(shí)施方式。然而，這些實(shí)施方式也適用于傳感器裝置并適用于傳感器陣列。根據(jù)該方法的一個(gè)示例性實(shí)施方式，所述多層結(jié)構(gòu)包括覆蓋堆疊感測配置的覆蓋層。具體地，覆蓋層可以包括多個(gè)子層，其可以由例如氮化硅或氧化硅之類的電介質(zhì)材料形成。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，該方法還包括形成穿過覆蓋層的初級孔，其中初級孔具有第一尺寸。具體地，可以采用光刻技術(shù)和蝕刻工藝形成初級孔。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，該方法還包括通過在初級孔的側(cè)壁上形成間隔物配置使初級孔變窄。通過使初級孔變窄，可以形成具有第二尺寸的孔，其中所述第二尺寸小于所述第一尺寸?？梢宰冋梢酝ㄟ^任何已知的沉積步驟進(jìn)行，例如，通過化學(xué)汽相沉積等進(jìn)行。通過這種變窄，有可能形成具有比通過標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)的尺寸、直徑或尺度小的尺寸、 直徑或尺度，因?yàn)樗龀练e步驟可以為適合形成具有精確厚度的層的方法，所述層可以用作間隔物，以便初級孔的精確尺寸可以調(diào)整。由于沉積技術(shù)是公知的和精確的，因此能夠形成非常小的孔或納米孔。具體地，未變窄的孔的尺寸、直徑或?qū)挾瓤梢栽?0nm的范圍內(nèi)，或者甚至大于20nm，而變窄的孔的尺寸可以在Inm和IOnm之間的范圍中，或者甚至在該范圍之下。提供具有這種小直徑的孔納米孔對于包括小的顆粒等的流體樣品(例如，DNA鏈)是有利的，因?yàn)樵诟袦y層的檢測區(qū)域存在流體樣品的較少的其它材料，以便可以減少其它材料的屏蔽效應(yīng)。具體地，在DNA鏈的情況中，小尺寸的納米孔還會導(dǎo)致DNA鏈的延展，以便能夠改善測量。術(shù)語"間隔物"可以具體地表示主要沿垂直方向形成在另一結(jié)構(gòu)上的層或結(jié)構(gòu)。 它可以通過材料的各向同性沉積形成在垂直結(jié)構(gòu)上。它可以用來增加圍繞孔的多層結(jié)構(gòu)的水平尺寸，因此使所述孔變窄。
采用間隔物使孔變窄的技術(shù)對于蝕刻穿過包括大量層的多層結(jié)構(gòu)是有好處的。根據(jù)該方法的一個(gè)示例性實(shí)施方式，堆疊感測配置中的所述孔通過利用所述初級孔形成。具體地，可以使用變窄的初級孔，如，初級孔可以用作蝕刻掩膜。因此，通過采用初級孔或變窄的初級孔作為蝕刻掩膜，可以實(shí)現(xiàn)小的孔。根據(jù)該方法的一個(gè)示例性實(shí)施方式，多層結(jié)構(gòu)設(shè)置在襯底上。具體地，襯底可以包括集成電路配置，其可以通過標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體技術(shù)或處理(例如，CMOS技術(shù))形成。襯底的形成或制造可以形成本發(fā)明的上述示例性實(shí)施方式的一部分，或者襯底可以預(yù)先制造或者為可以由供應(yīng)商提供的標(biāo)準(zhǔn)襯底。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，該方法還包括形成適于接觸堆疊感測配置的接觸端子。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，該方法還包括在多層結(jié)構(gòu)中集成電子元件。根據(jù)特定示例性方面的概述，可以設(shè)置傳感器裝置或傳感器配置，其包括至少三個(gè)感測層的多個(gè)感測層堆疊，每個(gè)感測層堆疊將堆疊感測配置與流體樣品或被分析物從中通過的一個(gè)孔結(jié)合在一起。所述孔也可以稱為納米孔。感測層堆疊可以形成在襯底上或中，并且多個(gè)孔可以為通孔(或貫穿鉆孔或隙孔或通路孔)。因此，多個(gè)通孔可以形成為延伸穿過整個(gè)襯底，所述通孔可以包括側(cè)壁但可以沒有封閉的底部。所述多個(gè)感測層堆疊中的每一個(gè)可以用來實(shí)時(shí)測量表示在該點(diǎn)通過對應(yīng)的孔的流體樣品或流體樣品的至少一部分的電信號。感測層可以具有小的厚度，即，可以薄，以便可以良好的分辨率區(qū)分流體樣品的組分。例如，流體樣品可以包括由傳感器裝置或包括多個(gè)傳感器裝置的傳感器陣列分析的DNA鏈，而流體樣品流過所述傳感器陣列的孔。在每個(gè)感測層堆疊的不同感測層之間的距離足夠小時(shí)，能夠確認(rèn)DNA堿基序列。然而，流體樣品通過整個(gè)堆疊感測配置期間的多次測量且因此測量的冗余度可以至少改善可實(shí)現(xiàn)的分析分辨率。在本文中，應(yīng)當(dāng)注意到，該測量冗余度不僅能夠通過采用至少三個(gè)感測層基于相同的檢測原理實(shí)現(xiàn)，而且也能夠通過采用其中具有多層檢測元件或檢測單元的堆疊感測配置基于不同的檢測原理(電的、磁的或光學(xué)原理)實(shí)現(xiàn)。每個(gè)感測層可以適于測量可以由對應(yīng)的處理元件評估的特性。這種處理元件可以已經(jīng)形成在襯底中或上，并且可以進(jìn)行完整的處理或可以進(jìn)行預(yù)處理，處理的結(jié)果可以傳遞至外部實(shí)體，如，外部處理器或計(jì)算裝置的CPU。對于所述傳遞，可以提供電耦合至感測層或處理元件的通信接口，特別是通用串行總線(USB)接口。因此，信號可以供給至耦合的實(shí)體，如通信伙伴(communication partner)裝置。這種通信伙伴裝置可以為計(jì)算機(jī)(如膝上型電腦)，在該計(jì)算機(jī)處可以進(jìn)一步評估所述測量。在替代實(shí)施方式中，傳感器陣列可以是完全自給自足的，使得不需要與外部實(shí)體的連接。然而，在其中存在通信接口的實(shí)施方式中，諸如個(gè)人計(jì)算機(jī)之類的連接實(shí)體可以進(jìn)一步處理測量結(jié)果和/或經(jīng)由GUI (圖形用戶界面)將它們顯示給用戶。傳感器陣列和通信伙伴裝置之間的通信可以是有線連接 (如在采用USB接口的實(shí)施方式中)，或者可以為無線通信(例如采用藍(lán)牙、紅外通信或射頻通信)。對于任何方法步驟，可以實(shí)施如根據(jù)半導(dǎo)體技術(shù)已知的任何常規(guī)程序。形成層或元件可以包括類似CVD (化學(xué)汽相沉積)，PECVD (等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相沉積)，ALD (原子層沉積)或?yàn)R射之類的沉積技術(shù)。拋光可以包括CMP (化學(xué)機(jī)械拋光)。去除層或元件可以包括類似濕法蝕刻、等離子體蝕刻等之類的蝕刻技術(shù)，以及類似光學(xué)光刻、UV光刻、電子束光
7刻等之類的圖案化技術(shù)。本發(fā)明的實(shí)施方式不限于具體材料，以便可以使用多種不同的材料。對于導(dǎo)電結(jié)構(gòu)，能夠采用金屬化結(jié)構(gòu)、硅化結(jié)構(gòu)或多晶硅結(jié)構(gòu)。對于半導(dǎo)體區(qū)域或元件，可以采用多晶硅。對于絕緣部分，可以采用氧化硅或氮化硅?？梢詫?shí)施類似CMOS、BIPOLAR、BICMOS之類的任何工藝技術(shù)。根據(jù)以下將被描述的實(shí)施方式的示例，本發(fā)明的上述方面和其它方面是明顯的， 并參照實(shí)施方式的這些示例說明這些方面。


以下將參照實(shí)施方式的示例更詳細(xì)地描述本發(fā)明，但本發(fā)明不限于這些示例。圖1示意性地說明堆疊感測配置。圖2A-2D示意性地說明制造傳感器裝置，特別是制造傳感器裝置的納米孔的方法。圖3A-B示意性地說明連接傳感器裝置的第一方法。圖4A-4J示意性地說明連接傳感器裝置的第二方法。圖5A-5H示意性地說明連接傳感器裝置的第三方法。
具體實(shí)施例方式
附圖中的說明是示意性的。在不同的附圖中，給相似或相同的元件提供相似或相同的附圖標(biāo)記。圖1示意性地說明堆疊感測配置100，其包括如通過電介質(zhì)層，例如氧化硅層105 彼此絕緣的四個(gè)感測層101、102、103和104。所述絕緣可以單層形成或者可以由數(shù)個(gè)獨(dú)立層或子層形成。具體地，所有子層或整個(gè)絕緣可以由或可以至少包括相同的材料，例如，氧化硅。而且，堆疊感測配置100包括孔或納米孔106，其穿過所有的感測層和電介質(zhì)層，即， 可以形成通孔106。因此，流體樣品，如，包括類似DNA鏈(由采用圖1中描繪的字母標(biāo)記的各個(gè)堿基示意性地指示)的顆粒的流體可以在通過堆疊感測配置100的同時(shí)可以穿過納米孔。感測層的堆疊可以由已知的光刻技術(shù)形成，將參照圖2更詳細(xì)描述所述光刻技術(shù)。當(dāng)流體樣品穿過感測層堆疊時(shí)，感測層的電特性的變化可以形成信號，該信號可以從感測層傳遞至電路，其中該信號取決于剛剛通過對應(yīng)的感測層的堿基。在下文中，參照圖2，描述了制造傳感器裝置，特別是制造傳感器裝置的納米孔的方法。圖2A示出了多層結(jié)構(gòu)200，其包括襯底201，在襯底201上形成包括四個(gè)感測層203、 204,205和206的感測層堆疊202，感測層203,204,205和206由導(dǎo)電材料，如TaN, Cu、Al 等形成。感測層可以具有不同尺寸或范圍的寬度和長度維度，使得可以在彼此不干擾的情況下從上方(在圖2的坐標(biāo)系統(tǒng)中)接觸每個(gè)單層。感測層由電介質(zhì)層207隔開。優(yōu)選地， 電介質(zhì)層207的材料是俘獲電荷的可能性低的材料，例如，氧化硅。在感測層堆疊202的頂部上形成有另外的電介質(zhì)層208，其隨后可以用作停止層，例如，用于蝕刻工藝。停止層208 可以包括氮化硅。在停止層的頂部上形成有覆蓋層209，其可以包括如圖2A所示的數(shù)個(gè)子層210、211、212，并且可以由不同的電介質(zhì)材料形成或至少包括不同的電介質(zhì)材料，例如， 氧化硅和氮化硅。電介質(zhì)層208優(yōu)選由氮化硅制成。電介質(zhì)層210優(yōu)選由氧化硅制成。電介質(zhì)層211優(yōu)選由氮化硅制成。電介質(zhì)層212優(yōu)選由氧化硅制成。為了形成多層結(jié)構(gòu)200的不同層，可以使用沉積、光刻和蝕刻技術(shù)。優(yōu)選地，感測層和其間的電介質(zhì)層207的厚度盡可能地薄，以實(shí)現(xiàn)流體樣品的分辨率的改善，例如區(qū)分 DNA鏈的不同堿基對。圖2B示意性地示出在覆蓋層209中形成初級孔之后圖2A的多層結(jié)構(gòu)200，隨后所述初級孔由間隔層214部分地填充，以實(shí)現(xiàn)具有小尺寸或直徑的孔。因此，優(yōu)選地，通過蝕刻工藝進(jìn)行蝕刻，使得能夠獲得最小尺寸的蝕刻孔。蝕刻可以采用停止層208作為蝕刻停止。而且間隔物層214或間隔物減小了初級孔的尺寸并使初級孔變窄。間隔層可以通過各向同性沉積電介質(zhì)材料，例如，氮化硅。圖2C示意性地示出在部分地去除間隔層214以在初級孔中形成間隔物之后圖2B 的多層結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，蝕刻是選擇性蝕刻，例如，通過采用選擇性蝕刻劑。例如，在間隔層由氮化硅形成的情況中，蝕刻劑可以非常好地蝕刻氮化硅，但僅蝕刻氧化硅到小的程度。具體地，可以進(jìn)行該蝕刻步驟以去除初級孔底部的停止層207。圖2D示意性地示出在進(jìn)行另一蝕刻步驟以在感測層堆疊202中蝕刻出孔或納米孔299之后圖2C的多層結(jié)構(gòu)200。因此，可以使用相對于氮化硅具有盡可能大的選擇性的蝕刻劑，即，該蝕刻劑可以非常好地蝕刻氧化硅，但僅氮化硅到小的程度，以保留一部分間隔物214。然而，在間隔物由其它材料形成的情況中，蝕刻劑優(yōu)選相對于該材料是選擇性的。 蝕刻步驟露出襯底201位于所形成的納米孔四9的底部上的部分。在下文中，參照圖3，描述連接多層結(jié)構(gòu)或傳感器裝置的第一方法，所述多層結(jié)構(gòu)或傳感器裝置可以是通過參照圖2描述的工藝形成的。在第一步驟中，形成通路315、316、 317和318以分別露出感測層203、204、205和206的一部分。對于通路形成步驟，可以進(jìn)行另一蝕刻步驟，其可以包括光抗蝕劑層319的沉積和圖案化。由于圖3中感測層具有不同的橫向尺寸范圍，因此能夠單獨(dú)地接觸每個(gè)感測層，如圖3所示。代替地，為了將感測層形成為使得它們具有不同的范圍，在多層結(jié)構(gòu)中可以包括導(dǎo)電線，用于擴(kuò)大感測層的尺寸。在圖3A中，導(dǎo)電線未示出，因?yàn)樗鼈儍H是感測層的延伸部分。導(dǎo)電層可以由Cu或Al形成。圖;3B示出了在沉積填充通路的導(dǎo)電材料(如Al)以便形成接觸線320之后圖的多層結(jié)構(gòu)。之后，剝離光抗蝕劑319，留下導(dǎo)電材料的接觸或鍵合焊盤。之后，例如通過背面研磨和/或化學(xué)蝕刻去除襯底。在圖3的情形中描述的連接方法可以特別適合感測層具有確保電導(dǎo)足夠高以至于在感測層中沒有電壓降的厚度的情況。在下文中，參照圖4，描述了連接多層結(jié)構(gòu)或傳感器裝置的第二方法，所述多層結(jié)構(gòu)或傳感器裝置可以通過參考圖2描述的工藝形成的。為清楚起見，在圖4中僅示出已經(jīng)在圖2的情形中討論和描述的附圖標(biāo)記中的一部分。犧牲層430和可選的硬掩膜431沉積在圖2的多層結(jié)構(gòu)的頂部上，用于進(jìn)一步的處理。可能的犧牲材料可以為聚合物材料或多晶硅。隨后，以所述孔由犧牲層和硬掩膜填充和覆蓋的方式例如通過蝕刻對犧牲層和可選的硬掩膜進(jìn)行圖案化。圖4B示出了在沉積頂層432之后圖4A的多層結(jié)構(gòu)，頂層432可以由電介質(zhì)材料， 例如，氧化硅。隨后例如通過化學(xué)機(jī)械拋光(CMP)可以對頂層432的頂面進(jìn)行平坦化。圖4C示出了在用于形成通路415、416、417和418的另一蝕刻步驟之后圖4B的多層結(jié)構(gòu)，通路415、416、417和418可以用來由接觸線420接觸感測層，接觸線420可以由金屬材料，例如Cu，W或其它適合的材料的插塞形成。對于各個(gè)蝕刻步驟，可以由TaN形成的感測層可以起停止層的作用。在沉積接觸線之后，例如通過CMP可以再次對表面進(jìn)行平坦化，以平坦化插塞材料。圖4D和圖4E示出了在一些可選的進(jìn)一步處理步驟之后圖4C的多層結(jié)構(gòu)，所述可選的進(jìn)一步處理步驟用于通過采用沉積步驟，蝕刻步驟和/或CMP步驟形成附加的金屬層 440 (例如，Cu)、電介質(zhì)層441 (例如，氧化硅)、鍵合焊盤442 (例如，Al)和鈍化層443 (例如，氮化硅)等。在圖4E中，為清楚起見，僅示出用于兩個(gè)感測層的鍵合焊盤。此外，用于感測層的鍵合焊盤可以形成在不同層或平面上。圖4F在頂視圖中說明圖4E的多層結(jié)構(gòu)。此外，示出了不同的元件的一些尺寸。 然而，必須清楚地聲明，所述尺寸不限于給出的數(shù)值，而是可以適應(yīng)特定需求。具體地，示出了鍵合焊盤442的尺寸，鍵合焊盤442可以具有矩形或方形橫截面，以及約20微米至35微米的尺寸。而且，在圖4F中可以看到四個(gè)通路415、416、417和418，并且它們可以具有約 130nm的尺寸，且彼此隔開約150nm至2微米的距離。而且，被填充的納米孔299形成在多層結(jié)構(gòu)中。圖4G示出了在通過圖案化鈍化層443和電介質(zhì)層441進(jìn)行附加的蝕刻步驟以露出犧牲層430或硬掩膜431之后圖4E的多層結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，可以采用相對于犧牲層430的材料是選擇性的蝕刻劑，即，該蝕刻劑可以確保犧牲層430不被蝕刻或者至少僅被蝕刻到小的程度。圖4H示出了在執(zhí)行附加的蝕刻步驟以去除犧牲層430之后圖4G的多層結(jié)構(gòu)。在該情況中，可以選擇僅僅或至少主要去除犧牲層430的蝕刻劑，使得襯底，例如硅晶片，在納米孔四9的區(qū)域中露出。之后，處理襯底以至少部分地去除它。這種處理可以通過背面研磨或蝕刻進(jìn)行。圖41在頂視圖中說明圖4H的多層結(jié)構(gòu)。圖41與圖4F的不同之處主要在于納米孔299不再由犧牲層填充的事實(shí)。圖4J以另一種替代配置示出了圖41的多層結(jié)構(gòu)。具體地，以每個(gè)感測層主要沿不同的方向延伸的方式形成感測層。例如，在示出包括四個(gè)感測層的感測層堆疊的圖4的情況中，感測層可以大致沿相差90度的角度的方向延伸。這種配置使得能夠使用較短的感測層，例如通過降低感測層堆疊和多層結(jié)構(gòu)寄生電容和電阻，這可以改善采用感測層進(jìn)行測量。在下文中，參照圖5，描述描述了連接多層結(jié)構(gòu)或傳感器裝置的第三方法，所述多層結(jié)構(gòu)或傳感器裝置可以通過參考圖2描述的工藝形成的。圖5A示出了襯底500，在襯底 500上形成有集成電路，該集成電路在圖5中僅由層501示意性地說明。該集成電路可以采用已知的或標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)(例如，CMOS)形成，并且可以形成集成芯片。襯底的特定區(qū)域502可以不包括集成電路的結(jié)構(gòu)。在該區(qū)域中隨后可以形成傳感器裝置的納米孔。在層501的頂部，在圖5A中指示了一些鍵合焊盤503，其可以由導(dǎo)電材料形成，例如，由Al形成。而且，圖 5A示出了包封層504，其可以由電介質(zhì)材料形成，例如，氮化硅。在鍵合焊盤503的上方，可以去除包封以露出鍵合焊盤。所述集成芯片可以為標(biāo)準(zhǔn)芯片，并且可以是商業(yè)上可買到的， 或者可以根據(jù)具體需求進(jìn)行制造。圖5B示出在某些進(jìn)一步的處理步驟之后圖5A的多層結(jié)構(gòu)，在所述處理步驟，電介質(zhì)層505，例如，氧化硅，形成在隨后例如通過CMP平坦化的結(jié)構(gòu)上。此外，蝕刻停止層506沉積在電介質(zhì)層505上，電介質(zhì)層505隨后可以被圖案化，以提供到達(dá)至少一些鍵合焊盤503 的通道，使得露出的鍵合焊盤可以由金屬層507接觸，金屬層507可以由金屬化層形成，例如，Cu層。圖5C示出了在一些進(jìn)一步的處理步驟之后圖5B的多層結(jié)構(gòu)，在所述處理步驟中， 另一電介質(zhì)層508，例如，氧化硅，沉積在蝕刻停止層506的頂部上，且隨后被圖案化，以通過形成凹陷509露出至少一部分金屬層507。應(yīng)當(dāng)注意到，圖5C-圖5H描述了形成感測層堆疊的方法，其與如關(guān)于圖2A-圖2D描述的方法在步驟方面稍微不同。圖5D示出了在一些進(jìn)一步的處理步驟之后圖5C的多層結(jié)構(gòu)，在所述處理步驟中， 導(dǎo)電材料層510沉積在電介質(zhì)層508和凹陷509的頂部上，其中該導(dǎo)電材料例如可以為 TaN。層510可以為第一感測層。導(dǎo)電層510隨后可以例如通過CMP被平坦化，并且隨后被圖案化，以僅留下由導(dǎo)電材料覆蓋或填充的區(qū)域，所述區(qū)域形成在感測層中或者是隨后用于感測層的接觸區(qū)域。具體地，導(dǎo)電層510可以保留在金屬層507的區(qū)域中，或者保留在集成芯片501的無結(jié)構(gòu)區(qū)域502上方的區(qū)域中。圖5E示出了在一些進(jìn)一步的處理步驟之后圖5D的多層結(jié)構(gòu)，在所述處理步驟中， 沉積另一電介質(zhì)層511，其包括氧化硅，例如，以覆蓋導(dǎo)電層510并提供針對另一感測層的絕緣層。電介質(zhì)層511隨后可以被圖案化，例如被蝕刻，以再次露出導(dǎo)電層510的一部分， 以使得能夠接觸第一感測層。具體地，露出的部分可以對應(yīng)于形成并用導(dǎo)電層填充的凹陷 509的區(qū)域，即，在設(shè)置在金屬層507上方的區(qū)域中。圖5F示出了在一些進(jìn)一步的處理步驟之后圖5E的多層結(jié)構(gòu)，在所述處理步驟中， 形成另一金屬層512，其在某種圖案化之后形成第二感測層和第二感測層的接觸區(qū)域。隨后，以類似于參照圖5D描述的方式例如通過CMP平坦化金屬層512并蝕刻金屬層512，即， 在無結(jié)構(gòu)區(qū)域502上形成第二感測層，并提供至第二感測層的接觸。在該圖案化步驟之后， 形成電介質(zhì)覆蓋層513。如參照圖5D和圖5E描述的進(jìn)一步的步驟可以被重復(fù)以提供多于兩層的感測層。 為了使本說明書和圖5清楚起見，感測層的數(shù)量限制為兩個(gè)。參照圖5G，示出了納米孔四9的形成。然而，由于該納米孔的形成類似于如在圖2 的情形中描述的工藝，因此省略詳細(xì)的描述。通常，電介質(zhì)覆蓋層形成在圖5F中示出的結(jié)構(gòu)上，并且初級孔形成在無結(jié)構(gòu)區(qū)域502的上方。隨后，例如包括氮化硅的變窄層214形成在初級孔上和之中。隨后，通過采用由變窄層形成的間隔物為掩膜對感測層堆疊進(jìn)行圖案化，例如，蝕刻感測層堆疊，其中所述圖案化在蝕刻停止層506處停止。這種圖案化在感測層堆疊的區(qū)域中形成納米孔。參照圖5H，示出了鍵合焊盤開口，S卩，圖案化露出了至少一些鍵合焊盤503，以由導(dǎo)電層514接觸它們。這種開口也可以由蝕刻步驟進(jìn)行。如果必要，如果在頂部需要附加的金屬層，或者采用剝離技術(shù)，則可以在該蝕刻步驟期間由保護(hù)層(例如犧牲層)保護(hù)納米孔。然而，所述附加的金屬層也可以這樣保留，即如圖5H中說明的那樣凸起，因?yàn)殒I合焊盤和頂層之間的高度差515可以僅為數(shù)微米，這不會引起任何問題。另一方案可以是在背面研磨之后從背側(cè)進(jìn)行接觸。參照圖51，描述了打開納米孔，即提供通孔的另一步驟。在第一步驟中，進(jìn)行襯底
11500的背面研磨，其后進(jìn)行無結(jié)構(gòu)區(qū)域502的圖案化步驟。在該圖案化步驟(例如，蝕刻步驟)中，去除無結(jié)構(gòu)區(qū)域以及該區(qū)域中的包封層504和電介質(zhì)層505。蝕刻停止層506可以在該蝕刻步驟中用作蝕刻停止。隨后，去除該區(qū)域中的蝕刻停止層以打開納米孔，以便提供穿過圖5中示出的結(jié)構(gòu)的用于流體樣品的通道。此外，在圖51中還給出一些示例性尺寸。 具體地，感測層堆疊的該區(qū)域中的納米孔的橫截面尺寸為5nm的量級，而穿過襯底和集成電路層501的通路可以在5微米的范圍內(nèi)。鍵合焊盤的橫向尺寸可以在35微米的范圍內(nèi)， 而鍵合焊盤之間的距離可以在100微米的范圍內(nèi)。電介質(zhì)層505的厚度可以在3微米的范圍內(nèi)，而集成芯片501的厚度可以在10微米的范圍內(nèi)。多層結(jié)構(gòu)550的厚度可以在1微米的范圍內(nèi)，而每個(gè)感測層的橫向尺寸可以在1微米的范圍內(nèi)。此外，接觸鍵合焊盤的接觸線的寬度可以在33微米的范圍內(nèi)。然而，應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，這些數(shù)值僅僅是示例性尺寸，其可以根據(jù)具體需求在寬的范圍中進(jìn)行改變。在替代實(shí)施方式中，例如通過硅通路技術(shù)，可以在背側(cè)而不是前側(cè)形成至鍵合焊盤的接觸。應(yīng)當(dāng)注意到，雖然參照附圖描述了兩個(gè)感測層，但當(dāng)然能夠采用其它數(shù)量，特別是更大數(shù)量的感測層。而且，應(yīng)當(dāng)注意到，傳感器陣列可以被制造為包括具有對應(yīng)的孔或納米孔的多個(gè)感測層堆疊。此外，還注意到，當(dāng)然除了描述的材料之外的其它材料也是可行的。 而且，應(yīng)當(dāng)注意到，在上述描述中聲明的具體材料僅僅是示例性，例如，代替作為感測層的導(dǎo)電材料的TaN，可以采用每一種其它適合的導(dǎo)電材料。包括感測層堆疊的上述傳感器裝置可以適合基于感測層中的電壓變化、兩個(gè)感測層之間的隧穿電流或共振隧穿、或兩個(gè)感測層之間的阻抗測量進(jìn)行檢測或采樣。由于兩個(gè)順次感測層之間的小間距是可能的，因此甚至能夠識別后區(qū)分靠在一起非常近的聚合物的單體，如DNA鏈中的堿基。而且，采用不同感測層的冗余測量可以降低源于流體樣品的運(yùn)動(dòng)的模糊性，因?yàn)榱黧w樣品的移動(dòng)速率和/或移動(dòng)方向可以改變，在未提供由數(shù)個(gè)感測層帶來的冗余的情況中，這會導(dǎo)致下述事實(shí)，即不清楚流體樣品是否包括多倍相同的單體，或是否數(shù)次測量相同的單體。此外，它能夠改善并行處理，因?yàn)樗軌蛱峁┒询B感測配置陣列， 其不需要單獨(dú)的片外的電子裝置，如處理和放大。具體地，一些描述的實(shí)施方式可以具有下述優(yōu)點(diǎn)感測層之間的距離可以非常小并且非常精確，能夠?qū)е翫NA堿基之間的更好的區(qū)別，可以包括大量感測層，在相對"高"層中蝕刻數(shù)納米的孔的可能性，在所述相對"高"層中可以包括數(shù)個(gè)感測層或檢測系統(tǒng)，能夠?qū)е马樞虻淖x取，形成陣列以代替離散裝置的可能性，因?yàn)榫哂袛?shù)個(gè)金屬層和電路是可行的，能夠?qū)е赂纳频牟⑿行?，事后統(tǒng)計(jì)和誤差消除處理的可能性，因?yàn)镈NA將一個(gè)接一個(gè)地面對每個(gè)納米孔中的數(shù)個(gè)感測層，并且平行的數(shù)個(gè)納米孔可以屏蔽數(shù)個(gè)DNA鏈，集成CMOS使得片上放大(例如，通過集成Sauty電橋)和片上信號處理能夠可行的可能性，以及可以使用常規(guī)光刻技術(shù)代替電子束、離子束或具有造型的離子束。而且，應(yīng)當(dāng)注意到，優(yōu)選地，至感測層的連接路徑或連接鏈路可以短，和/或鍵合焊盤和感測層之間的各個(gè)連接點(diǎn)可以靠近納米孔設(shè)置，使得能夠降低堆疊感測配置的寄生電容或高電阻。最后，應(yīng)當(dāng)注意到，上述實(shí)施方式說明而不是限制本發(fā)明，并且本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)計(jì)不偏離本發(fā)明的如由隨附權(quán)利要求限定的保護(hù)范圍的多種替代實(shí)施方式。 在權(quán)利要求中，括號中的任何附圖標(biāo)記不應(yīng)當(dāng)解釋為限制權(quán)利要求。詞語"包括"和"包含"等不排除除在任何權(quán)利要求或作為整體的說明書中列出的那些元件或步驟之外的其它元件或步驟的存在。元件的單數(shù)引用不排除這種元件的復(fù)數(shù)引用，反之亦然。在列舉數(shù)個(gè)裝置的裝置權(quán)利要求中，這些裝置中的數(shù)個(gè)可以由一個(gè)相同的軟件或硬件項(xiàng)目實(shí)施。重要的是在彼此不同的從屬權(quán)利要求中描述的某些措施不表示這些措施的組合不能帶來優(yōu)點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種用于分析流體樣品的組分的傳感器裝置，該傳感器裝置包括 堆疊感測配置002)，包括至少三個(gè)感測層；和多層結(jié)構(gòu)(200)，其中多層結(jié)構(gòu)(200)具有形成在其中的適于讓流體樣品通過的孔099)； 其中堆疊感測配置O02)以在流體樣品通過孔(四9)時(shí)流體樣品通過堆疊感測配置 (202)的方式形成在多層結(jié)構(gòu)(200)中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其中堆疊感測配置(20 包括至少三個(gè)感測層003，204，205，206)，所述至少三個(gè)感測層設(shè)置在彼此之上并由設(shè)置在兩個(gè)感測層之間的電介質(zhì)層(207)彼此電絕緣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器裝置， 其中感測層具有小于IOnm的厚度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的傳感器裝置， 其中電介質(zhì)層的厚度小于10nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，還包括集成電路配置(501)，耦合至堆疊感測配置Q02)的感測層。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其中所述感測層中的至少一個(gè)適于驅(qū)動(dòng)流體樣品。
7.一種用于分析流體樣品的組分的傳感器陣列，該傳感器陣列包括 多個(gè)根據(jù)權(quán)利要求1的多個(gè)傳感器裝置。
8.一種制造堆疊感測配置002)的方法，該堆疊感測配置用于傳感器裝置，該傳感器裝置用于分析流體樣品的組分，該方法包括提供包括堆疊感測配置002)的多層結(jié)構(gòu)(200)；以及形成穿過堆疊感測配置002)的孔099)，其中所述孔(四9)適于讓流體樣品通過。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中多層結(jié)構(gòu)(202)包括覆蓋堆疊感測配置002)的覆蓋層009)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的方法，還包括形成穿過覆蓋層的初級孔，其中初級孔具有第一尺寸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，還包括通過在初級孔的側(cè)壁上形成間隔物配置(214)使初級孔變窄。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中堆疊感測配置002)中的所述孔(四9)通過利用所述初級孔形成。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法， 其中多層結(jié)構(gòu)設(shè)置在襯底OOl)上。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括形成適于接觸堆疊感測配置002)的接觸端子(420)。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，還包括 在多層結(jié)構(gòu)中集成電子元件。
全文摘要
本申請?zhí)峁┝艘环N用于分析流體樣品的傳感器裝置，其中該傳感器裝置包括包含至少三個(gè)感測層的堆疊感測配置和多層結(jié)構(gòu)，其中多層結(jié)構(gòu)具有形成在其中的適于讓流體樣品通過的孔，并且其中堆疊感測配置以在流體樣品通過孔時(shí)流體樣品通過堆疊感測配置的方式形成在多層結(jié)構(gòu)中。
文檔編號G01N27/26GK102369430SQ201080014377
公開日2012年3月7日 申請日期2010年3月25日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月3日
發(fā)明者埃弗利娜·格里德萊特, 巴勃羅·特洛, 納德·阿基爾, 邁克爾·喬斯·范杜里恩 申請人:Nxp股份有限公司