[發明專利]低噪聲生物分子傳感器

有效

• 申請號: 201880007316.X
• 申請日: 2018-01-17
• 公開（公告）號: CN110383055B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 王超
• 申請（專利權）人: 豪夫邁·羅氏有限公司
• 主分類號: G01N27/414
• 分類號: G01N27/414;G01N33/487
• 代理公司: 中國專利代理(香港)有限公司 72001
• 代理人: 張凌苗;申屠偉進

一種用于形成納米孔器件的方法包括提供藍寶石襯底，并且在藍寶石襯底的前側和背側上形成氧化物層。所述背部上的氧化物層被圖案化以形成蝕刻掩模。所述方法還包括在藍寶石襯底的背側上執行晶定向相關的濕法各向異性蝕刻，其通過使用蝕刻掩模，用于形成具有傾斜側邊的空腔，以暴露第一氧化物層的一部分。在藍寶石襯底的前側上的氧化物層上形成氮化硅薄膜層。接下來，在空腔中的氧化物層的所暴露的部分被移除以使得氮化硅薄膜層的所暴露的部分被懸停在藍寶石襯底中的空腔之上。隨后，在氮化硅薄膜層的懸停的部分中形成開口，以形成納米孔。

相關專利申請的交叉引用

本申請對2017年1月18日提交的申請號為62/447,861的美國臨時專利申請要求優先權權益，所述美國臨時專利申請通過引用被并入以用于所有目的。

背景技術

包含納米孔的器件在生物分子感測中具有用途。例如，納米孔可以用于核酸定序。常規的基于納米孔的器件通常包含被插入在亞穩態的脂質雙層中的蛋白質納米孔。脂質雙層可能是脆弱的，并且可破壞器件的穩定性。

與常規的生物DNA定序技術相比，固態的納流體DNA傳感器相對穩健、易于操作、低成本，并且可以潛在地通過使用CMOS（Complementary Metal-Semiconductor-Oxide-Silicon，互補-金屬-半導體-氧化物-硅）集成電路過程來在晶圓尺度上被集成。圖1是簡化的橫截面視圖，其圖示了常規的固態納米孔傳感器的部分。在圖1中，基于硅（Si）的納米孔傳感器100包括硅襯底110，以及在硅襯底上形成的介電層（例如氮化硅或Si₃N₄）120。在介電層中形成納米孔130。固態納米孔在兩個電極161和162之間的離子液體中形成通道。在生物分子140、例如核酸分子通過納米孔通道時，通過通道的電流和其它電氣特性改變。這些電氣特性可以提供與分子的組分相關的信息，例如核酸分子的序列。

另一方面，生物分子的區分（differentiation）強烈地依賴于納米孔器件的電氣性質。因此，存在對于以下的需要：經改進的納米孔器件設計以及用于以適合用于大量生產的方式來控制納米孔制造的方法。

發明內容

基于硅的納米孔器件配置是流行的，這是因為其高吞吐量、高精度、低成本以及與現存制造技術的容易的集成。然而，在基于Si的納米孔器件的情況下的一個固有問題是在如以下進一步描述的所檢測的信號中的大噪聲。本發明的實施例提供：一種在用于生物分子傳感器的藍寶石襯底中的低噪聲納米孔結構，以及一種用于通過對藍寶石襯底的受控濕法蝕刻而創建低噪聲納米孔的方法。該過程可以降低生物分子傳感器的噪聲。

與在Si襯底中所形成的常規納米孔相比較，使用藍寶石襯底大大降低寄生電容，因此大大降低電流噪聲并且擴展帶寬。已經存在使用絕緣熔融的硅石襯底來用于納米孔的報告。然而，這樣的方法需要復雜的過程，諸如對熔融硅石襯底的冗長干法蝕刻或拋光，其通常是單晶圓過程，并且不可伸縮到大規模制造。在本發明的一些實施例中，濕法蝕刻用于形成藍寶石襯底，并且與用于較大吞吐量的批量處理相兼容。在一些實施例中，在被布置在藍寶石襯底之上的介電薄膜中形成納米孔。

根據本發明的一些實施例，一種用于形成納米孔器件的方法包括提供藍寶石襯底，并且在藍寶石襯底的前側上形成第一氧化物層，并且在藍寶石襯底的背側上形成第二氧化物層。第二氧化物層被圖案化以在第二氧化物層中形成蝕刻掩模，所述蝕刻掩模具有掩模開口。所述方法還包括在藍寶石襯底的背側上執行晶定向相關的濕法各向異性蝕刻，其通過使用蝕刻掩模，用于通過藍寶石襯底而形成具有傾斜側壁的空腔，以暴露第一氧化物層的一部分。所述傾斜側壁中的每一個是與相應的晶平面（crystalline plane）對準的小晶面（crystalline facet）。然后，在藍寶石襯底的前側上的第一氧化物層上形成氮化硅薄膜層。接下來，在空腔中的第一氧化物層的所暴露的部分被移除以暴露氮化硅薄膜的一部分，使得氮化硅薄膜層的所暴露的部分被懸停在藍寶石襯底中的空腔之上。隨后，在氮化硅薄膜層的懸停的部分中形成開口，以形成納米孔。