具有无缝工作电极的纳米孔单元及其形成方法技术

本发明专利技术涉及一种纳米孔单元，所述纳米孔单元可以包括具有无缝多孔电极和疏水性侧壁的阱。所述无缝多孔电极可以通过在由导电层岛和电介质层形成的平面电极支撑层上沉积多孔电极材料来形成。所述多孔电极材料可以形成均匀的无缝柱，并且可以在制造期间通过在所述无缝柱上沉积可选择性去除的保护层而受到保护。可以通过在保护层之上形成疏水性包层并随后将所述疏水性包层图案化来形成所述阱。可以除去所述保护层以暴露所述阱的底部处的无缝多孔电极。电极。电极。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有无缝工作电极的纳米孔单元及其形成方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年5月26日提交的美国临时申请号63/029,936的优先权，该美国临时申请全文以引用方式并入本文。
[0003]以引用方式并入
[0004]本说明书中提到的所有出版物和专利申请都以引用方式并入本文，所达到的程度如同每个单独的出版物或专利申请都被具体地和单独地指出以引用方式并入。

技术介绍

[0005]具有内部直径为一纳米数量级的孔径的纳米孔隔膜装置已显示出在快速核苷酸测序中的前景。当在浸入导电流体中的纳米孔上施加电压电位时，可能存在因离子跨该纳米孔的传导而产生的小离子电流。电流的大小对孔径和哪个分子位于纳米孔中敏感。分子可以是核苷酸本身(例如，作为核酸的一部分)或附着到特定核苷酸的特定标签，从而可以检测核酸特定位置处的核苷酸。可测量包含纳米孔的电路中的电压(例如，在集成电容器上)以作为测量分子的电阻的方式，从而可以检测哪些分子在纳米孔中。
[0006]尽管在某些应用中基于纳米孔的测序传感器芯片已经取得了成功，但仍然需要改进。例如，需要改进的纳米孔的阱结构和方法。在一些情况下，已经发现基于纳米孔的测序传感器芯片的工作电极优选地由多孔电极材料制成以将电容和表面积最大化。由于具有所需特性(诸如可润湿性和足够的电容)的可靠多孔工作电极对于基于纳米孔的测序装置的操作至关重要，因此实施了在制造期间保护工作电极的方法。特别是，在沉积疏水性包层并将该疏水性包层图案化以形成纳米孔单元的阱时，必须保护工作电极。保护多孔工作电极的一些方法包括施加保护层(诸如电介质层)以用作缓冲层或牺牲层以在后续步骤期间保护多孔工作电极。在许多情况下，希望通过化学工艺容易地去除保护层，从而暴露出多孔工作电极以进行操作。然而，如果在形成多孔电极和纳米孔单元的结构和工艺中没有考虑到，则用于去除保护层的化学物质可能会侵蚀其他层。

技术实现思路

[0007]因此，根据本公开的实施方案描述纳米孔单元和用于形成纳米孔单元的方法。纳米孔单元和用于形成纳米孔单元的方法确保工作电极在结构上合理，使得保护层的化学去除不会对纳米孔单元的其他部件产生负面影响。特别地，纳米孔单元和用于形成纳米孔单元的方法确保工作电极由多孔材料的无缝柱形成，这降低了化学品渗入和损坏纳米孔单元的其他层的可能性。
[0008]实施方案涉及一种用于形成纳米孔单元的方法。该方法可以包括提供一种装置结构，该装置结构包括设置在衬底顶部部分上的导电层和覆盖在该导电层之上的互连电介质层。该方法包括去除互连电介质层的一部分以形成平面电极支撑表面。平面电极支撑表面包括导电层的被互连电介质层的剩余部分围绕的暴露的岛。该方法还包括在平面电极支撑表面上沉积多孔电极材料以形成无缝多孔电极层。无缝多孔电极层包括多孔电极材料的
柱。该方法还包括在无缝多孔电极层上沉积保护层，将无缝多孔电极层和保护层图案化以形成工作电极岛，在工作电极岛上沉积疏水性包层并将该疏水性包层图案化以形成纳米孔单元的阱的侧壁，以及去除保护层的至少一部分以暴露出多孔电极层。暴露的多孔电极层形成纳米孔单元的阱的底部壁的至少一部分。
[0009]一些实施方案可以包括纳米孔单元。该纳米孔单元可以包括衬底、覆盖在衬底顶部部分上的电极支撑层和阱。电极支撑层可以包括由互连电介质层围绕的导电层岛以及由导电层岛和互连电介质层形成的平面顶部表面。阱可以包括设置在电极支撑层的平面顶部表面上的无缝多孔工作电极岛、围绕无缝多孔工作电极岛并且被图案化以形成阱的侧壁的疏水性包层、以及由疏水性包层和无缝多孔工作电极岛形成的空腔。无缝多孔工作电极岛可以包括多孔电极材料的柱。在一些实施方案中，无缝工作电极岛还包括设置在多孔电极材料的柱上的保护层，其中保护层被配置为可选择地去除以将多孔电极材料暴露于空腔。
[0010]参考以下具体实施方式和附图，可以更好地理解本专利技术的实施方案的性质和优点。
附图说明
[0011]图1说明基于纳米孔的测序芯片中的单元的实施方案。
[0012]图2说明用Nano
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SBS技术进行核苷酸测序的单元的实施方案。
[0013]图3说明了基于纳米孔的测序芯片的电化学单元的一个实施方案，其包括具有增加的电化学电容的TiN工作电极。
[0014]图4说明了基于纳米孔的测序芯片的单元中的电路的一个实施方案，其中跨纳米孔施加的电压可以被配置为在纳米孔处于特定可检测状态的时间段期间变化。
[0015]图5说明了在导电电极和相邻液体电解质之间的任何界面处形成的双层。
[0016]图6说明了可以在形成双层的同时在导电电极和相邻液体电解质之间的界面处形成的赝电容效应。
[0017]图7A
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图7G说明了使用化学机械平面化构建包括TiN工作电极的基于纳米孔的测序芯片的电化学单元的过程的实施方案。
[0018]图8A
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图8F说明了使用光刻及干法蚀刻来构建包括TiN工作电极的基于纳米孔的测序芯片的电化学单元的过程的一个实施方案。
[0019]图9说明了可能在使用图7A
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图7G和图8A
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图8F所示的过程构建的工作电极中形成的接缝。
[0020]图10是说明使用图7A
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图7G所示的过程形成的TiN电极层的显微照片。
[0021]图11是说明使用图8A
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图8F所示的过程形成的TiN电极层的显微照片。
[0022]图12A
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图12F说明了构建包括无缝工作电极的基于纳米孔的测序芯片的电化学单元的过程的一个实施方案。
[0023]图13说明了使用图12A
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图12F中所示的过程构建的无缝电极。
[0024]图14A和图14B是通过图12A
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图12F的方法形成的无缝电极阵列的实例的显微照片。
[0025]图14A和图14B是通过图12A
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图12F的方法形成的无缝电极阵列的实例的显微照片。
[0026]图15是通过图12A
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图12F的方法形成的无缝TiN电极层的实例的显微照片。
[0027]图16是说明用于形成具有无缝电极的纳米孔单元的方法的流程图。
[0028]术语
[0029]“纳米孔”指在隔膜中形成或以其他方式提供的孔、通道或通路。膜可以是有机膜，诸如脂质双层，或合成膜，诸如由聚合材料形成的膜。纳米孔可以设置成邻近或接近于传感电路或耦合至传感电路的电极，诸如，例如，互补金属氧化物半导体(CMOS)或场效应晶体管(FET)电路。在一些实例中，纳米孔具有0.1纳米(nm)至约1000nm等级的特征宽度或直径。一些纳米孔是蛋白。
[0030]纳米孔装置中的“阱”是指由绝缘壁和其中可以包含电解质的工作电极形成的结构。“阱剖面”是指阱的结构描述，并且可以包括对阱边缘的角度和锐度的测量。纳本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种用于形成纳米孔单元的方法，所述方法包括：提供装置结构，所述装置结构包括：导电层，所述导电层设置在衬底的顶部部分上；和互连电介质层，所述互连电介质层覆盖在所述导电层上；去除所述互连电介质层的一部分以形成平面电极支撑表面，所述平面电极支撑表面包括所述导电层的被所述互连电介质层的剩余部分包围的暴露的岛；在所述平面电极支撑表面上沉积多孔电极材料，以形成包括所述多孔电极材料的柱的无缝多孔电极层；在所述无缝多孔电极层上沉积保护层；将所述无缝多孔电极层和所述保护层图案化以形成工作电极岛；在所述工作电极岛上沉积疏水性包层并将所述疏水性包层图案化，以形成所述纳米孔单元的阱的侧壁；以及去除所述保护层的至少一部分，以将所述多孔电极层暴露于所述阱，其中所暴露的多孔电极层形成所述纳米孔单元的所述阱的底部壁的至少一部分。2. 根据权利要求 1 所述的方法，其中所述多孔电极材料包括多孔 TiN（氮化钛）。3. 根据权利要求 1 所述的方法，其中所述多孔电极材料包括含钌材料。4. 根据权利要求 1 所述的方法，其中去除互连电介质的一部分包括对所述互连电介质的一部分进行无图形蚀刻。5. 根据权利要求 1 所述的方法，其中所述保护层包含电介质材料。6. 根据权利要求 1 所述的方法，其中所述保护层包含氧化硅。7. 根据权利要求 1 所述的方法，其中所述保护层包含金属材料。8. 根据权利要求 1 所述的方法，其中所述保护层包含钛。9. 根据权利要求 1 所述的方法，其中去除所述保护层的至少一部分以暴露出所述多孔电极层包括向所述保护层施加去除试剂。10. 根据权利要求 9 所述的方法，其中所述去除试剂包括氢氟酸。11. 根据权利要求 9 所述的方法，其中使用湿法蚀刻工艺来施加所述去除试剂。12. 根据权利要求 9 所述的方法，其中所述去除试剂被施加到所述保护层，而不损坏所述互连电介质层。13. 根据权利要求 1 至 12 中任一项所述的方法，其中使用光刻和干法蚀刻对所述无缝多孔电极层和所述保护层进行图案化。14.一种纳米孔单...

【专利技术属性】
技术研发人员：J，
申请(专利权)人：豪夫迈，
类型：发明
国别省市：