深微阱设计及其制造方法技术

一种装置，所述装置包括基板；栅极结构，其布置于所述基板之上并具有上表面；阱结构，其布置于所述基板之上，并且在所述栅极结构的所述上表面之上限定阱；导电层，其布置于所述栅极结构的上表面上并且至少部分地沿着所述阱结构中所述阱的壁延伸；以及介电结构，其布置于所述阱结构之上并限定到所述阱的开口。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】深微阱设计及其制造方法相关申请的交叉引用本申请主张2015年8月25日提交的第62/209，370号美国临时申请的权益，所述美国临时申请之全部内容以引用形式完整并入本文。
本公开总体涉及用于化学或生物分析的传感器，以及制造此类传感器的方法。
技术介绍
化学过程检测当中已用到多种类型的化学装置。其中一类是化学敏感的场效应晶体管(chemFET)。chemFET包括由沟道区分隔的源极和漏极，以及耦合至所述沟道区的化学敏感区。所述chemFET的操作基于敏感区内电荷变化所引起的沟道电导的调制，所述变化之致因在于附近发生的化学反应。所述沟道电导的调制改变chemFET的阈值电压，其可以得到测量以检测或确定所述化学反应之特征。例如，阈值电压可以通过对源极和漏极施加适当的偏置电压，并测量流经chemFET的所得电流来测量。另例如，阈值电压可以通过驱动已知电流通过chemFET，并测量源极或漏极处的所得电压来测量。离子敏感场效应晶体管(ISFET)是一种在敏感区包含离子敏感层的chemFET。在分析物溶液中，离子的存在会改变离子敏感层与分析物溶液之间界面处的表面电位，这是由于所述分析物溶液中存在的离子引起表面电荷基团质子化或去质子化所致。ISFET敏感区表面电位的变化会影响装置的阈值电压，其可以得到测量以指示溶液中离子的存在或浓度。ISFET阵列可用于根据反应期间存在、生成或使用之离子检测结果，监测化学反应，如DNA测序反应。实例请参阅Rothberg等人提交的7,948,015号美国专利，该专利的全部内容完整并入本文作为参考。更一般地说，可使用chemFET或其他类型化学装置的大型阵列，以检测及测量各类过程中多种分析物(例如，氢离子、其他离子、化合物等)的静态或动态量或浓度。例如，该过程可以是生物或化学反应、细胞或组织培养，或者监测神经活性、核酸测序等。在大型化学装置阵列之操作中所出现的问题是传感器输出信号对噪音的敏感性。具体而言，噪音影响下游信号处理的准确度，所述下游信号处理用以确定由所述传感器测得的化学或生物过程之特征。因此理想情况是提供包括低噪音化学装置之装置，以及制造此类装置之方法。附图说明图1示出根据一个示例性实施例，用于核酸测序的系统组件框图。图2示出根据一个示例性实施例作出的集成电路装置和流通池的局部截面图。图3示出根据一个示例性实施例作出的代表性化学装置和对应的反应区之截面。图4至图25示出根据一个示例性实施例，用于形成化学装置阵列和对应的阱结构之制造工艺中的阶段。图26至图30包括制造工艺中不同阶段的工件图像。具体实施方式本公开描述了包括低噪音化学装置(如化学敏感的场效应晶体管(chemFET))的化学装置，用于检测上覆的、操作上相关联的反应区内之化学反应。化学装置的传感器可以包含多个浮动栅极导体，其中感测层沉积于所述多个浮动栅极导体之最上浮动导体上。申请人发现，在专用于感测的所述多个浮动栅极导体之最上浮动导体之上增加附加层，具有克服技术挑战并降低所述附加层成本的优点。例如，申请人已经发现本文所述化学装置中的优点包括：提供增强的光刻工艺余量；(例如，防止开口对偏或烧坏)；并且在介电质中提供可能比直接位于最上浮动栅极导体顶部上之感测区更大的开口(例如，更大的开口可容纳更多信号)。而且，产品的阱至阱扩散会产生集落(复制品)并增加多克隆性。申请人发现较深阱可以减弱阱至阱扩散，并使得靶DNA拥有更多时间以进行固定和扩增。本文所述的示例性化学装置具有感测表面区，其可以包含用于感测的专用层。在本文所述的实施例中，导电元件上覆最上浮动栅极导体并与之连通。由于所述最上浮动栅极导体可用以提供用于接入/为化学装置供电的阵列线(例如字线、位线等)和总线线路，最上浮动栅极导体应该是合适的材料或材料混合物，并为此具有足够厚度。由于所述导电元件位于化学装置基板上的不同层内，所以该导电元件可以充当与最上浮动栅极结构的材料和厚度无关的专用感测表面区。结果是，可以高密度阵列提供低噪音化学装置，从而可以准确地检测反应的所述特征。此外，最上浮动栅极导体可能不会被推向工艺极限；而相邻的浮动栅极导体应该具有适于承载高电流的厚度(即，针对低电阻率)，相邻浮动栅极导体之间的空间可以不是工艺设计规则允许的最小空间。用于最上浮动栅极导体的材料可以基于其适用性进行选择，以承载高电流。由于导电元件位于与最上浮动栅极导体不同的层上，所以提供上覆于最上浮动栅极导体并与之连通的导电元件会在导电元件之材料的选择上提供更大的自由度。布置于最上浮动栅极导体之上导电元件可以至少部分地沿阱壁延伸。例如，导电元件可以沿壁表面延伸至少20％，再如沿壁表面延伸至少30％、沿壁表面延伸至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％、至少90％、至少95％或甚至沿所述壁表面延伸100％。阱壁结构的上表面可以没有导电元件。在一个实施例中，导电元件可以覆盖所述阱的整个底部，使得最上浮动栅极导体的任何部分均不暴露于阱开口。在一个实施例中，导电元件沿所述阱的底部布置，但不完全在侧壁之间延伸，使得所述阱的底部仅部分地由导电元件所覆盖。图1示出根据一个示例性实施例，用于核酸测序的系统组件框图。所述组件包括集成电路装置100上的流动池101、参考电极108、用于测序的多种试剂114、阀块116、洗涤溶液110、阀112、射流控制器118、管线120/122/126、通道104/109/111、废液容器106、阵列控制器124和用户界面128。集成电路装置100包括上覆传感器阵列(包含本文所述化学装置)的微阱阵列107。流动池101包括入口102、出口103和限定微阱阵列107上试剂流动路径的流动室105。参考电极108可为任何适当类型或形状，包括具有流体通道的同心圆柱体或插入通道111内腔的导线。试剂114可在泵、气体压力或其他适当方法的驱动下通过流体通道、阀和流动池101，并在流出流动池101的出口103之后弃置于废液容器106内。射流控制器118可利用合适的软件来控制针对试剂114的驱动力以及阀112和阀块116的操作。微阱阵列107包括如本文所述反应区的阵列，在本文中也称为微阱，所述反应区与传感器阵列中相应化学装置以可操作方式关联。例如，每个反应区可以耦合到适合于检测该反应区内目标分析物或反应性质的化学装置。微阱阵列107可集成于集成电路装置100中，使该微阱阵列107和传感器阵列成为单一装置或芯片的一部分。流动池101可以具有各种配置，用于控制试剂114在微阱阵列107之上的路径和流速。阵列控制器124向集成电路装置100提供偏置电压及定时与控制信号，用于读取传感器阵列的化学装置数据。阵列控制器124还向参考电极108提供参考偏置电压，以偏置流过微阱阵列107的试剂114。在实验期间，阵列控制器124经由总线127通过集成电路装置100上的输出端口收集和处理来自传感器阵列中化学装置的输出信号。阵列控制器124可为计算机或其他计算装置。所述阵列控制器可包括用于存储数据和软件应用的存储器、用于访问数据和执行应用的处理器，以及有助于与图1中所述系统的各种组件连通的组件。所述化学装置输出信号的值指示在微阱阵列的对应反应区中发生的一个或多个反应的物理或化学参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种装置，包括：基板；栅极结构，所述栅极结构布置于所述基板之上并具有上表面；阱结构，所述阱结构布置于所述基板之上，并且在所述栅极结构的所述上表面之上限定阱；导电层，所述导电层布置于所述栅极结构的所述上表面之上，并且至少部分地沿着所述阱结构中所述阱的壁延伸；以及介电结构，所述介电结构布置于所述阱结构之上并且限定到所述阱的开口。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.08.25 US 62/209,3701.一种装置，包括：基板；栅极结构，所述栅极结构布置于所述基板之上并具有上表面；阱结构，所述阱结构布置于所述基板之上，并且在所述栅极结构的所述上表面之上限定阱；导电层，所述导电层布置于所述栅极结构的所述上表面之上，并且至少部分地沿着所述阱结构中所述阱的壁延伸；以及介电结构，所述介电结构布置于所述阱结构之上并且限定到所述阱的开口。2.根据权利要求1所述的装置，其中所述阱结构与所述介电结构之间界面处的所述阱之特征直径大于所述界面处的所述开口之特征直径。3.根据权利要求1所述的装置，其中所述阱结构与所述介电结构之间界面处的所述阱之特征直径约等于所述界面处的所述开口之特征直径。4.根据权利要求1或权利要求2所述的装置，其中所述阱结构与所述介电结构之间界面处的所述阱之特征直径相对于所述界面处的所述开口之特征直径的比率在1.01至2的范围内。5.根据权利要求4所述的装置，其中所述比率在1.01至1.5的范围内。6.根据权利要求5所述的装置，其中所述比率在1.01至1.15的范围内。7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其中所述阱结构包含硅的氧化物或硅的氮化物。8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其中所述阱结构包含一层硅的氧化物和一层硅的氮化物。9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其中所述导电层沿着所述阱的壁延伸至所述阱结构与所述介电结构之间的界面。10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其中所述导电层包含金属。11.根据权利要求10所述的装置，其中所述金属选自由铝、铜、镍、钛、银、金、铂、铪、镧、钽、钨、铱、锆、钯及其组合组成的组。12.根据权利要求1至11中任一项所述的装置，其中所述导电层包含导电陶瓷材料。13.根据权利要求11所述的装置，其中所述导电陶瓷材料选自由氮化钛、氮化钛铝、氮氧化钛、氮化钽及其组合组成的组。14.根据权利要求1至13中任一项所述的装置，其中所述介电结构比所述阱结构更厚。15.根据权利要求1至14中任一项所述的装置，其中所述介电层之厚度与所述阱结构之厚度的比率在1.01至10的范围内。16.根据权利要求15所述的装置，其中所述范围为1.05到3。17.根据权利要求16所述的装置，其中所述范围为1.05到2。18.根据权利要求1至17中任一项所述的装置，其中所述介电层包含硅的低温氧化物。19.根据权利要求1至18中任一项所述的装置，其中所述栅极结构为浮动栅极结构。20.根据权利要求1至19中任一项所述的装置，其中所述栅极结构包括在所述上表面处并与所述导电层接触的势垒层。21.一种形成传感器装置的方法，所述方法包含：在基板之上形成阱结构、栅极结构，所述栅极结构布置于所述基板上并具有上表面；在所述阱结构中形成阱以暴露所述栅极结构的所述上表...

【专利技术属性】
技术研发人员：J布斯蒂洛，J格雷，J欧文斯，
申请(专利权)人：生命技术公司，
类型：发明
国别省市：美国,US