具有薄導(dǎo)電元件的化學(xué)設(shè)備的制造方法
【專(zhuān)利說(shuō)明】具有薄導(dǎo)電元件的化學(xué)設(shè)備
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求2013年8月22日提交的美國(guó)臨時(shí)申請(qǐng)?zhí)?1/868，942和2013年3月15日提交的61/790,866的優(yōu)先權(quán)，其全部?jī)?nèi)容通過(guò)引用以它們的整體并入本文。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本公開(kāi)，一般而言，涉及用于化學(xué)分析的傳感器，和涉及制造這樣的傳感器的方法。
【背景技術(shù)】
[0004]各種類(lèi)型的化學(xué)設(shè)備已經(jīng)用于化學(xué)過(guò)程的檢測(cè)。一種類(lèi)型是化學(xué)靈敏的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(chemFET)。chemFET包括由通道區(qū)域分開(kāi)的源極和漏極，和偶聯(lián)至通道區(qū)域的化學(xué)靈敏區(qū)域。ChemFET的運(yùn)轉(zhuǎn)是基于通道電導(dǎo)的調(diào)制，其是由于附近發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)在靈敏區(qū)域的電荷的改變?cè)斐傻?。通道電?dǎo)的調(diào)制改變chemFET的閾值電壓，其可被測(cè)量，以檢測(cè)和/或測(cè)定化學(xué)反應(yīng)的特征?？桑?，通過(guò)通過(guò)施加適當(dāng)?shù)钠珘弘妷褐猎礃O和漏極，和測(cè)量流過(guò)chemFET的所得電流來(lái)測(cè)量閾值電壓。作為另一實(shí)施例，可通過(guò)驅(qū)動(dòng)已知電流通過(guò)chemFET，和測(cè)量在源極或漏極的所得電壓。
[0005]離子靈敏的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)是在靈敏區(qū)域包括離子靈敏的層的一類(lèi)chemFET。分析物溶液中離子的存在改變離子靈敏的層和分析物溶液之間界面處的表面電位，其是由于分析物溶液中存在的離子造成的表面電荷基團(tuán)的質(zhì)子化或去質(zhì)子化。ISFET的靈敏區(qū)域處表面電位的改變影響可測(cè)量的設(shè)備的閾值電壓，以指示溶液中離子的存在和/或濃度。ISFET陣列可用于監(jiān)測(cè)化學(xué)反應(yīng)，比如DNA測(cè)序反應(yīng)，其基于反應(yīng)期間離子存在的檢測(cè)，產(chǎn)生，或使用。見(jiàn)，例如，Rothberg等的美國(guó)專(zhuān)利號(hào)7，948，015，其通過(guò)引用以其整體并入本文。更一般而言，大的chemFET陣列或其他類(lèi)型的化學(xué)設(shè)備可用于檢測(cè)和測(cè)量各種過(guò)程中各種分析物(例如氫離子、其他離子、化合物等)的靜態(tài)和/或動(dòng)態(tài)量或濃度。過(guò)程可以是例如生物或化學(xué)反應(yīng)、細(xì)胞或組織培養(yǎng)或監(jiān)測(cè)天然活性、核酸測(cè)序等。
[0006]操作大尺寸化學(xué)設(shè)備陣列出現(xiàn)的問(wèn)題是傳感器輸出信號(hào)容易遭受噪聲的影響。具體而言，噪聲影響用于測(cè)定通過(guò)傳感器檢測(cè)的化學(xué)和/或生物過(guò)程的特征的下游信號(hào)處理的精確性。所以期望提供設(shè)備，包括低噪聲化學(xué)設(shè)備，和制造這樣的設(shè)備的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，公開(kāi)了化學(xué)設(shè)備。傳感器包括化學(xué)靈敏的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其包括包含彼此電耦聯(lián)的多個(gè)浮柵導(dǎo)體的浮柵結(jié)構(gòu)。導(dǎo)電元件與多個(gè)浮柵導(dǎo)體中的最上浮柵導(dǎo)體疊加并且通信。導(dǎo)電元件可比最上浮柵導(dǎo)體更寬和更薄。傳感器進(jìn)一步包括電介質(zhì)材料，其限定延伸至導(dǎo)電元件的上表面的開(kāi)孔。根據(jù)示例性實(shí)施方式，導(dǎo)電元件可包括下述至少一種:鈦、鉭、亞硝酸鈦，和鋁，和/或其氧化物和/或混合物。根據(jù)另一實(shí)施方式，化學(xué)設(shè)備中相鄰導(dǎo)電元件之間的距離是約0.18微米。在仍另一實(shí)施方式中，導(dǎo)電元件的厚度是約0.l-0.2微米。在一個(gè)實(shí)施方式中，多個(gè)浮柵導(dǎo)體中的最上浮柵導(dǎo)體可具有的厚度大于多個(gè)浮柵導(dǎo)體中其他浮柵導(dǎo)體的厚度。在另一實(shí)施方式中，導(dǎo)電元件可包括的材料與構(gòu)成最上浮柵導(dǎo)體的材料不同。根據(jù)示例性實(shí)施方式，導(dǎo)電元件可包括的材料與構(gòu)成最上浮柵導(dǎo)體的材料不同。根據(jù)另一實(shí)施方式，電介質(zhì)材料的內(nèi)表面和導(dǎo)電元件的上表面限定化學(xué)設(shè)備的反應(yīng)區(qū)域的外表面。在仍另一實(shí)施方式中，多個(gè)浮柵導(dǎo)體在進(jìn)一步包括陣列線(xiàn)和總線(xiàn)的層中。在一個(gè)實(shí)施方式中，化學(xué)設(shè)備包括傳感器區(qū)域，其包含化學(xué)靈敏的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，和包含外周電路的外周區(qū)域，以從化學(xué)靈敏的場(chǎng)效應(yīng)晶體管獲得信號(hào)。在一個(gè)實(shí)施方式中，導(dǎo)電元件在僅僅在傳感器區(qū)域中的導(dǎo)電層中。在另一實(shí)施方式中，導(dǎo)電元件包括不在夕卜周區(qū)域中的材料。根據(jù)示例性實(shí)施方式，化學(xué)靈敏的場(chǎng)效應(yīng)晶體管可包括浮柵結(jié)構(gòu)，其包括彼此電耦聯(lián)并且由電介質(zhì)層分開(kāi)的多個(gè)導(dǎo)體，并且浮柵導(dǎo)體可在多個(gè)導(dǎo)體中的最上導(dǎo)體上。根據(jù)另一實(shí)施方式，電介質(zhì)材料的第一層可以是氮化硅和第二層可以是二氧化硅和正硅酸四乙酯的至少一種，和第二層限定開(kāi)孔的側(cè)壁。在一個(gè)實(shí)施方式中，化學(xué)設(shè)備可進(jìn)一步包括微流體結(jié)構(gòu)，其與化學(xué)靈敏的場(chǎng)效應(yīng)晶體管流體流動(dòng)通信，并且布置為遞送分析物用于測(cè)序。
[0008]在另一示例性實(shí)施方式中，公開(kāi)了用于制造化學(xué)設(shè)備的方法。方法包括形成化學(xué)靈敏的場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其包括包含彼此電耦聯(lián)的多個(gè)浮柵導(dǎo)體的浮柵結(jié)構(gòu)。方法進(jìn)一步包括形成導(dǎo)電元件，其與多個(gè)浮柵導(dǎo)體中的最上浮柵導(dǎo)體疊加和通信。導(dǎo)電元件比最上浮柵導(dǎo)體更寬和更薄。方法進(jìn)一步包括形成電介質(zhì)材料，其限定延伸至導(dǎo)電元件的上表面的開(kāi)孔。根據(jù)示例性實(shí)施方式，導(dǎo)電元件的上表面限定所述化學(xué)傳感器的反應(yīng)區(qū)域的底部表面。根據(jù)另一實(shí)施方式，電介質(zhì)材料的內(nèi)表面和導(dǎo)電元件的上表面限定化學(xué)傳感器的反應(yīng)區(qū)域的外邊界。在仍另一實(shí)施方式中，在僅僅在化學(xué)設(shè)備的傳感器區(qū)域中的導(dǎo)電層中形成導(dǎo)電元件。
[0009]在本說(shuō)明書(shū)中描述的主題的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方式的具體方面闡釋在附圖和下面說(shuō)明書(shū)中。主題的其他特征、方面和優(yōu)勢(shì)將從說(shuō)明書(shū)、附圖和權(quán)利要求中變得顯而易見(jiàn)。
【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1根據(jù)示例性實(shí)施方式圖解用于核酸測(cè)序的系統(tǒng)組件的方塊圖。
[0011]圖2根據(jù)示例性實(shí)施方式圖解一部分集成電路設(shè)備和流動(dòng)池的橫截面圖。
[0012]圖3根據(jù)示例性實(shí)施方式圖解代表性化學(xué)設(shè)備和相應(yīng)的反應(yīng)區(qū)域的橫截面圖。
[0013]圖4至14根據(jù)示例性實(shí)施方式闡釋用于形成化學(xué)設(shè)備陣列和相應(yīng)的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)的制造工藝的階段。
[0014]圖15根據(jù)示例性實(shí)施方式圖解包括示例性傳感器區(qū)域和示例性外周區(qū)域的示例性化學(xué)設(shè)備的方塊圖。
[0015]發(fā)明詳述
[0016]描述的化學(xué)設(shè)備包括低噪聲化學(xué)設(shè)備，比如化學(xué)靈敏的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(chemFETs)，用于檢測(cè)疊加的可操作相關(guān)化學(xué)反應(yīng)中的化學(xué)反應(yīng)?；瘜W(xué)設(shè)備的傳感器可包括多個(gè)浮柵導(dǎo)體，傳感層沉積在多個(gè)浮柵導(dǎo)體的最上漂浮導(dǎo)體上。但是，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)在多個(gè)浮柵導(dǎo)體的最上漂浮導(dǎo)體上方添加用于傳感的另外層的優(yōu)勢(shì)是克服了技術(shù)挑戰(zhàn)和另外層的成本。例如，申請(qǐng)人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了本文所述的化學(xué)設(shè)備的優(yōu)勢(shì)包括提供增強(qiáng)光刻工藝余量；(例如，防止開(kāi)孔的位移和/或燒壞)；和在電介質(zhì)中比提供比可能更大的開(kāi)孔是傳感區(qū)域直接在最上浮柵導(dǎo)體的頂部(例如，更大的孔可適應(yīng)更多的信號(hào))。
[0017]本文所述的示例性化學(xué)設(shè)備具有傳感表面區(qū)域，其可包括用于傳感的專(zhuān)用層。在本文所述的實(shí)施方式中，導(dǎo)電元件與最上浮柵導(dǎo)體疊加并且通信。因?yàn)樽钌细艑?dǎo)體可用于提供陣列線(xiàn)(例如字線(xiàn)，位線(xiàn)等)和總線(xiàn)用于訪(fǎng)問(wèn)化學(xué)設(shè)備/為化學(xué)設(shè)備供電，最上浮柵導(dǎo)體應(yīng)是適當(dāng)?shù)牟牧匣虿牧系幕旌衔锊⑶覟槠渚哂凶銐虻暮穸?。因?yàn)閷?dǎo)電元件在化學(xué)設(shè)備的襯底上不同層中，導(dǎo)電元件可用作專(zhuān)用傳感表面區(qū)域，不依賴(lài)于最上浮柵結(jié)構(gòu)的材料和厚度。例如，導(dǎo)電元件可比最上浮柵導(dǎo)體更寬，使得傳感表面區(qū)域可相對(duì)大。例如，導(dǎo)電元件可比最上浮柵導(dǎo)體更薄，使得傳感表面區(qū)域可提供用于傳感的增加的靈敏性。結(jié)果，可以以高密度陣列提供低噪聲化學(xué)設(shè)備，使得可精確檢測(cè)反應(yīng)的特征。
[0018]另外，最上浮柵導(dǎo)體不需要推送至處理極限；同時(shí)相鄰的浮柵導(dǎo)體應(yīng)具有適于攜帶高電流的厚度(即用于第電阻率)，相鄰浮柵導(dǎo)體之間的空間不需要是工藝設(shè)計(jì)規(guī)則允許的最小空間。用于最上浮柵導(dǎo)體的材料(一種或多種)應(yīng)適于高電流。提供與最上浮柵導(dǎo)體疊加并且通信的導(dǎo)電元件，為選擇用于導(dǎo)電元件的材料提供了更大的自由度，因?yàn)閷?dǎo)電元件在與最上浮柵導(dǎo)體不同的層上。
[0019]圖1根據(jù)示例性實(shí)施方式圖解用于核酸測(cè)序的系統(tǒng)組件的方塊圖。組件包括在集成電路設(shè)備100上的流動(dòng)池101、參考電極108、用于測(cè)序的