石墨烯测序器件及其制造方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯测序器件，包括：位于衬底上的绝缘层；位于绝缘层上的石墨烯纳米带，具有晶界；位于石墨烯纳米带中的纳米孔，其中纳米孔与晶界共同构成石墨烯电极；以及位于纳米孔两侧的石墨烯纳米带上的金属电极。依照本发明专利技术的石墨烯测序器件及其制造方法，制备工艺条件相对简单，使用创新型的分布在晶界两侧的两个半圆弧形电极有助于降低由于DNA分子结构波动产生的影响，提高测试的稳定性和可靠性。加之利用晶界对电流的抑制作用可以有效降低背景电流的大小提高信噪比。单层石墨烯的厚度仅约为0.35nm低于一个DNA碱基的长度，可以有效提高NDA测序的分辨率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种半导体器件及其制造方法，特别是涉及一种使用多晶石墨烯晶界的石墨烯测序器件及其制造方法。
技术介绍
DNA作为生物存储遗传信息的介质记录了各种生物的绝大部分的信息，换句话说生物多样性在分子量级上的体现就是DNA的多样性。如果要破译DNA所承载的遗传信息就必须首先测定DNA的序列。DNA测序技术作为现代生命科学的核心技术之一，自1977年“化学裂解法”和“链终止法”专利技术以来得到了快速的发展，然而时至今日快速准确的DNA测序仍然是一个世界性的难题。快速高分辨率的DNA测序方法对于推动现代生命科学更快的发展有着至关重要的作用。作为新一代的DNA测试技术，纳米孔测序为DNA快速测序提供了可能性。使用纳米孔的DNA测序技术主要包括使用测定纵向(垂直于纳米孔表面的方向)的离子电流的强度变化与测定横向隧穿电流的变化两种方式。这两种方式各自优缺点也比较明显，使用纵向离子电流的方式由于纳米孔深度的限制使得分辨率比较低，而横向隧穿电流的方法因为对电极的要求较高导致工艺复杂。石墨烯自2004年被成功分离出来以后就受到了广大科研人员的高度关注。石墨烯由一层按类似于蜂窝状的结构排列的碳原子组成，厚度仅为0.35纳米，具有良好的电学性能，机械和热学特性，因而被广泛研究应用于多种领域。CVD(化学气相沉积)生长石墨烯的方法的出现使得石墨烯可以大规模的研究和应用。
技术实现思路
针对纳米孔DNA测序存在的上述问题，例如：低分辨率、制备工艺复杂、对DNA结构波动性的抵抗力低等，本专利技术提出了一种使用多晶单层石墨烯晶界的DNA测序的器件结构和基本制备工艺。本专利技术提供了一种石墨烯测序器件，包括：位于衬底上的绝缘层；位于绝缘层上的石墨烯纳米带，具有晶界；位于石墨烯纳米带中的纳米孔，其中纳米孔与晶界共同构成石墨烯电极；以及位于纳米孔两侧的石墨烯纳米带上的金属电极。其中，衬底包括体Si、SOI、体锗、GeOI、SiGe、Si:C、GaN、GaAs、InSb、InP。其中，绝缘层包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、类金刚石无定形碳(DLC)及其组合。其中，纳米孔位于石墨烯纳米带中心。其中，纳米孔为圆形、椭圆、双曲形、橄榄形、矩形、扇形、梯形及其组合。其中，石墨烯纳米带的晶界方向不同于石墨烯纳米带的延伸方向。其中，纳米孔的孔径为0.1～10nm。一种石墨烯测序器件的制造方法，包括：在衬底上形成绝缘层；在衬底背面形成衬底开口；在绝缘层中形成第一纳米孔，暴露衬底；在绝缘层上形成石墨烯纳米层；在石墨烯纳米层中形成第二纳米孔，直至暴露衬底；图案化石墨烯纳米层，形成沿第一方向延伸的石墨烯纳米带；在第一和/或第二纳米孔两侧的石墨烯纳米带上形成金属电极。其中，衬底包括体Si、SOI、体锗、GeOI、SiGe、Si:C、GaN、GaAs、InSb、InP。其中，绝缘层包括氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、类金刚石无定形碳(DLC)及其组合。其中，第一纳米孔位于绝缘层中心，第二纳米孔位于石墨烯纳米层中心，并且第二纳米孔与第一纳米孔相对。其中，纳米孔为半圆形、弧形、部分椭圆、部分双曲形、月牙形、矩形、扇形、梯形及其组合。其中，石墨烯纳米带的晶界方向不同于石墨烯纳米带的延伸方向。其中，晶界为人工引入的电流阻隔边界，或者多晶石墨烯天然存在的晶界。其中，采用干法刻蚀、离子流冲击、TEM高能电子冲击形成第一和/或第二纳米孔。其中，形成第一纳米孔、石墨烯纳米层至形成第二纳米孔的工艺步骤替换为：在衬底上形成绝缘层和石墨烯纳米层；依次刻蚀石墨烯纳米层和绝缘层，分别形成第二纳米孔和第一纳米孔。其中，第一纳米孔和/或第二纳米孔的孔径为0.1～10nm。形成衬底开口的步骤进一步包括：背面减薄衬底；各向异性腐蚀衬底背面，形成衬底开口。依照本专利技术的石墨烯测序器件及其制造方法，制备工艺条件相对简单，使用创新型的分布在晶界两侧的两个半圆弧形电极有助于降低由于DNA分子结构波动产生的影响，提高测试的稳定性和可靠性。加之利用晶界对电流的抑制作用可以有效降低背景电流的大小提高信噪比。单层石墨烯的厚度仅约为0.35nm低于一个DNA碱基的长度，可以有效提高DNA测序的分辨率。附图说明以下参照附图来详细说明本专利技术的技术方案，其中：图1A和图1B分别显示了依照本专利技术的石墨烯测序器件的顶视图和剖视图；以及图2至图6为依照本专利技术的石墨烯测序器件制造方法各步骤的剖视图。具体实施方式以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本专利技术技术方案的特征及其技术效果，公开了能有效提高NDA测序的稳定性以及分辨率的石墨烯测序器件及其制造方法。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或工艺步骤。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或工艺步骤的空间、次序或层级关系。如图1A所示为依照本专利技术的石墨烯测序器件的顶视图，图1B为图1A沿平行于石墨烯纳米带的方向的剖视图。石墨烯测序器件包括衬底1、衬底1上的绝缘层2、绝缘层2上的石墨烯纳米带3、石墨烯纳米带3(以及绝缘层2)中的纳米孔4、纳米孔4两侧的石墨烯纳米带3上的一对电极5。其中，纳米孔4穿过石墨烯纳米带3以及绝缘层2直至暴露衬底1。石墨烯纳米带3中的晶界6可以是沿图1A中纸面上“上下”方向，也即垂直于石墨烯纳米带3的延伸(长度)方向，此外还可以是不同于石墨烯纳米带3延伸方向的第二方向，例如与其倾斜相交。纳米孔4以及晶界6共同将石墨烯纳米带3分为左右两个部分，也称作石墨烯电极，其形状优选地为圆弧形。在两个电极5之间加一直流偏置电压，当一DNA分子单链(未示出)通过纳米孔4时，由于不同碱基的结构不同导致两电极5间的电流发生变化，从而读出DNA的序列。图2至图6为依照本专利技术的石墨烯测序器件制造方法各步骤的剖视图，其中沿图1A中平行于石墨烯纳米带的方向剖视。如图2所示，在衬底1上形成绝缘层2。提供衬底1，其材质可以是体Si、SOI、体锗、GeOI、SiGe、Si:C、GaN、GaAs、InSb、InP等各种常用的半导体衬底1材料。优选地，为了降低制造成本以及与主流IC制造工艺兼容，采用单晶体Si或者SOI作为衬底1。优选地，衬底1具有例如(100)的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种石墨烯测序器件，包括：位于衬底上的绝缘层；位于绝缘层上的石墨烯纳米带，具有晶界；位于石墨烯纳米带中的纳米孔，其中纳米孔与晶界共同构成石墨烯电极；以及位于纳米孔两侧的石墨烯纳米带上的金属电极。

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯测序器件，包括：
位于衬底上的绝缘层；
位于绝缘层上的石墨烯纳米带，具有晶界；
位于石墨烯纳米带中的纳米孔，其中纳米孔与晶界共同构成石
墨烯电极；以及
位于纳米孔两侧的石墨烯纳米带上的金属电极。
2.如权利要求1的石墨烯测序器件，其中，衬底包括体Si、SOI、体
锗、GeOI、SiGe、Si:C、GaN、GaAs、InSb、InP。
3.如权利要求1的石墨烯测序器件，其中，绝缘层包括氧化硅、氮
化硅、氮氧化硅、类金刚石无定形碳(DLC)及其组合。
4.如权利要求1的石墨烯测序器件，其中，纳米孔位于石墨烯纳米
带中心。
5.如权利要求1的石墨烯测序器件，其中，纳米孔为圆形、椭圆、
双曲形、橄榄形、矩形、扇形、梯形及其组合。
6.如权利要求1的石墨烯测序器件，其中，石墨烯纳米带的晶界方
向不同于石墨烯纳米带的延伸方向。
7.如权利要求1的石墨烯测序器件，其中，纳米孔的孔径为0.1～
10nm。
8.一种石墨烯测序器件的制造方法，包括：
在衬底上形成绝缘层；
在衬底背面形成衬底开口；
在绝缘层中形成第一纳米孔，暴露衬底；
在绝缘层上形成石墨烯纳米层；
在石墨烯纳米层中形成第二纳米孔，直至暴露衬底；
图案化石墨烯纳米层，形成沿第一方向延伸的石墨烯纳米带；
在第一和/或第二纳米孔两侧的石墨烯纳米带上形成金属电极。
9.如权利要求8的石墨烯测序器件的制造方法，其中，衬底包括体
Si、SOI、体锗、GeOI、SiGe、S...

【专利技术属性】
技术研发人员：贾昆鹏，粟雅娟，聂鹏飞，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11