用于dna测序的自对准和可缩放的纳米间隙后处理的利记博彩app
【专利摘要】一种装置，包括：电路衬底，所述电路衬底包括金属层中的接触部；以及换能器，所述换能器包括第一电极和第二电极，所述第一电极设置在所述接触部的侧壁上并且耦合到所述接触部的侧壁，所述第二电极耦合到导体，可以通过所述导体施加电压，其中，所述第二电极包括与所述接触部的所述侧壁对准并且与所述第一电极分隔开间隙的轮廓。一种方法，包括：形成与衬底上的金属层中的接触部相邻的换能器，所述换能器包括第一电极和第二电极，所述第一电极设置在所述接触部的侧壁上，所述第二电极耦合到导体，可以通过所述导体施加电压，其中，所述第二电极包括与所述接触部的所述侧壁对准并且与所述第一电极分隔开间隙的轮廓。
【专利说明】
用于DNA测序的自对准和可缩放的纳米间隙后处理
技术领域
[0001]电子核酸测序设备。
【背景技术】
[0002]电子DNA测序平台通常需要在互补型金属氧化物半导体(CMOS)衬底上单片集成电化学纳米间隙换能器以在衬底上实现超密集的传感器集成。一种制造技术涉及在不改变铸造工艺的情况下制造CMOS衬底并且在后端适合的点处去除晶片并且将这样的晶片转移到用于“后处理”的不同的洁净室以单片地集成换能器。由于需要使用非常规的材料(例如，铂、金、金刚石、铬)和非常规的制造工艺(例如，剥离、溅射蚀刻)，所以要在不同的制造设施中完成后处理。纳米间隙换能器的单片集成的工艺被称为“后处理”，因为晶片必须在离开制造CMOS电子器件的铸造厂之后经历额外的处理。换能器阵列具有大约一百万个换能器，其中换能器的当前间距小于两微米(μπι)。
【附图说明】
[0003]图1示出了集成电路结构的一部分的截面侧视图，该集成电路结构包括形成在衬底中和衬底上的器件层和金属化，金属化包括被限定为接触部并且用帽盖层覆盖的最终金属层。
[0004]图2示出了在去除任何帽盖层并且相对于相邻的层间电介质使得接触部凹进之后的图1的结构。
[0005]图3示出了在接触部被保护性电介质层覆盖并且被抛光以实现平坦的表面之后的图2的结构。
[0006]图4示出了在去除接触部周围的层间电介质材料之后的图3的结构。
[0007]图5示出了在结构上共形地沉积第一电化学电极层之后的图4的结构。
[0008]图6示出了在限定底部电极之后的图5的结构。
[0009]图7示出了在底部电极上引入并且限定牺牲材料之后的图6的结构。
[0010]图8示出了在结构上引入顶部电极之后的图7的结构。
[0011]图9示出了在对结构进行钝化之后的图8的结构。
[0012 ]图1O示出了在断开顶部电极和底部电极并且去除电极之间的牺牲材料之后的图9的结构。
[0013]图11示出了图10的结构的顶视图并且示出了包括被间隙分隔开的电极的换能器。
[0014]图12示出了集成电路结构上的换能器的阵列的顶视图。
[0015]图13示出了穿过图12中所示出的器件中的三个器件的截面示意图。
[0016]图14示出了在可选地形成换能器的阱之后的图10的结构。
【具体实施方式】
[0017]公开了一种装置，该装置包括集成电路衬底，该集成电路衬底包括接触部和与该接触部相关联的换能器。在另一个实施例中，公开了一种装置，该装置包括接触部的阵列和与接触部相关联的相对应的换能器。代表性地，装置包括:集成电路衬底;器件层，该器件层在诸如最终金属层之类的金属层中包括一个或多个接触部；以及换能器，该换能器包括沉积在(多个)接触部的侧壁上并且连接到(多个)接触部的侧壁的第一电极和耦合到导体的第二电极，可以通过该导体施加电压，其中，第二电极包括与(多个)接触部的侧壁对准并且与第一电极分隔开间隙的轮廓。还公开了一种形成包括换能器或换能器的阵列的方法。在一个实施例中，该方法包含后处理，后处理将允许纳米间隙器件(换能器)的自对准单片集成。该方法用于实现“垂直的”纳米间隙，其中，在例如集成电路器件制造(例如，CMOS制造)的最终金属化中，器件与所使用的金属层的相应侧壁自对准。该方法允许在不依赖器件的后处理中所使用的光刻设备的分辨率和对准公差的情况下限定关键尺寸(间隙大小和器件占用空间)。另外，剥离工艺不用在对器件的关键尺寸中的任何尺寸的限定中。由于工艺的自对准的本质并且不存在对引入用于蚀刻牺牲层和交换流体的出入孔的需要，所以避免了死体积。
[0018]图1-14描述了形成集成电路器件的方法的实施例，该集成电路器件包括与结构的最终金属层的接触部自对准的一个或多个换能器。更具体而言，描述了后处理方法的实施例。后处理在后端工艺的适合阶段将晶片抽出之后开始。相应地，集成电路器件形成在诸如晶片之类的衬底中或上并且包括通过至少部分地由金属层限定的互连件来连接的器件(例如，晶体管器件)和电路(例如，CMOS)。图1示出了集成电路结构的一部分的截面侧视图，该集成电路结构包括形成在衬底中和衬底上的器件层和金属化，金属化包括用帽盖层覆盖的最终金属层。参考图1，结构100包括例如是单晶半导体衬底(例如，硅衬底)或绝缘体衬底上的半导体的衬底110。在一个实施例中，衬底110是晶片的管芯的一部分。衬底110包括器件层120和代表性地器件层上的若干金属线。金属线以及器件层与这些线之间的相关联的导电过孔在一方面用作使电力和信号往返于器件层的互连件。图1示出了例如铜或铜合金的最终金属层130以及将最终金属层130连接到下面的金属层的导电过孔135。在一个实施例中，将最终金属层130中的至少一部分图案化成包括限定层的厚度的相对侧部分的接触部。最终金属层130的接触部的相对侧部分被层间电介质材料140包围。在以下讨论中，最终金属层130将可交换地被描述为(多个)接触部130。在一个实施例中，层间电介质材料140是氮化硅。图1还示出了位于层间电介质材料140和最终金属层130上的帽盖层150。如果后处理在相同铸造厂中作为器件电路来完成或具有短时间延迟，则可以避免帽盖层150。
[0019]图2示出了在去除任何帽盖层并且在接触部130的顶部上形成凹槽之后的图1的结构。在一方面形成了凹槽160以便于允许自对准保护操作的后续性能。因为凹槽160的深度不是关键尺寸，所以可以以多种方式来完成凹槽的形成。代表性地，铜或铜合金的接触部可以是过度抛光的，或可以通过定时的湿法蚀刻(基于硫酸或醋酸)或干法蚀刻(使用基于氯的化学成分)来形成凹槽。在一个实施例中，凹槽160的代表性深度是lnm-?μπι的数量级。
[0020]图3示出了在接触部金属被保护性电介质层覆盖之后的图2的结构。在一个实施例中，保护性电介质层165是通过覆盖式沉积和抛光引入的二氧化硅。在一个实施例中，使用了二氧化硅，因为其为层间电介质材料140提供了相对于氮化硅的蚀刻选择性(在随后的操作中所使用的蚀刻选择性)。二氧化硅还为结构100的表面上的核酸分子(例如，DNA分子)的选择性附接提供了自然场所。
[0021]图4示出了在去除接触部130周围的层间电介质材料140之后的图3的结构。在层间电介质材料是氮化娃的情况下，可以执行选择性的或定时的氮化娃干法蚀刻以暴露接触部130的侧壁。根据所使用的保护性电介质层165的厚度和用于金属层(接触部130)的任何内衬(1;[1161')，可以使用各种基于氟的化学成分(例如，0^3、3?6)。保护性电介质层165用作自对准硬掩模。蚀刻的深度将确定电极的深度，并且确切的深度对于第一级不是关键的，因此不需要蚀刻停止层，并且定时蚀刻应当是足够的。另外，当可以使得蚀刻为选择性的时蚀刻的方向性不是关键的。跨晶片的均匀性是优选的，但是对于当前应用不再是关键的，并且一些变化(例如，百分之五的变化)是可容许的。
[0022]图5示出了在覆盖式沉积第一电化学电极层(本文中被称为“底部电极”)之后的图4的结构。在一个实施例中，底部电极170的引入是用诸如光致抗蚀剂(未示出)之类的牺牲材料对存在外围电路或接合焊盘的任何区域进行保护之后、在沉积稍后要被剥离之前(该剥离不具有关键尺寸并且仅完成用于保护管芯的非器件区域)所完成的共形沉积。用于底部电极170的适合的电极材料可以是金、铂、硼掺杂的金刚石、类金刚石碳或很好地电化学地执行的一些其它金属合金。根据所使用的材料，原子层沉积(ALD)或溅射工具可以用于共形沉积。替代地，选择性的无电镀镀覆还可以用于某些材料。
[0023]图6示出了在限定底部电极之后的图5的结构。通过使用方向性蚀刻以在接触部130的侧壁上留下电极材料并且蚀刻掉剩余的材料来限定底部电极170。根据共形沉积中所使用的材料，在该步骤中可以采用各种蚀刻策略。如果铂或金被用作电极材料，那么利用一些氯的基于氩的溅射蚀刻可以用于达到所需要的方向性蚀刻。由于溅射蚀刻的材料的非易失性本质，再沉积可能有问题，并且蚀刻将必须针对该问题进行优化。在硼掺杂的金刚石(BDD)或硼掺杂的类金刚石碳(DLC)被用作电极材料的情况下，高密度氧等离子体可以用于形成所期望的几何形状。如果无电镀材料沉积被选择用于沉积底部电极，则可以省略该限定操作。
[0024]图7示出了在底部电极上引入牺牲材料之后的图6的结构。牺牲材料175的层的厚度将限定底部电极170与顶部电极之间的间隙。在一个实施例中，选择牺牲材料175以使得可以在工艺结束时对其进行选择性地蚀刻。代表性地，铬和钨可以被用作可以通过ALD沉积的罐状(can)金属氧化物。可以使用高密度等离子体工具中的氯化学成分来方向性地蚀刻铬。代表性地，可以与用于底部电极170的材料类似地沉积和限定牺牲材料175。牺牲材料175的代表性厚度是lnm-300nm的数量级。
[0025]图8示出了在结构上引入顶部电极之后的图7的结构。在一个实施例中，使用共形沉积技术(例如，在金属被用作电极材料的情况下的溅射沉积)来沉积用于顶部电极180的材料。在一个实施例中，顶部电极180是所有换能器共有的，并且在换能器阵列的边缘处制造衬底的接触部，虽然还可以定期地制造穿过阵列的连接(未示出衬底的顶部电极连接)。因此，当顶部电极180按照其原样留下并且仅经由剥离来限定以确保层仅包含在管芯的阵列区中。这样的剥离步骤不具有任何严密的关键尺寸。在一个实施例中，用于顶部电极180的材料典型地是用于底部电极170的相同材料，但是根据所使用的电化学标签和针对检测所使用的偏置点可以是另一种材料。不同的电极材料可以呈现出对于种类的减少或氧化的不同的附着/污染属性;因此材料可以被选择为不同于底部电极170。类似于底部电极170的材料，顶部电极材料的代表性选择会是金、铂、硼掺杂的金刚石、类金刚石碳。
[0026]图9示出了在对结构进行钝化之后的图8的结构。在一个实施例中，对表面进行钝化以进一步保护表面并且限制顶部电极与参考电极之间的电流。这通过执行电介质沉积和对经沉积的电介质材料185进行平坦化来完成。代表性地，由于低温度沉积工具(低于3500C )(例如，(HD)PECVE)的可用性和针对表面上的流体暴露的恰当的钝化属性，氮化硅(或氮氧化硅)被用作钝化材料185。可以通过使用对于顶部电极材料(抛光停止)将是选择性的浆料配方的化学机械抛光(CMP)来完成平坦化。
[0027 ]图1O示出了在断开顶部电极和底部电极并且去除电极之间的牺牲材料之后的图9的结构。在一个实施例中，使用将顶部电极180与底部电极170电断开从而使不同的偏置可以被施加到每一个电极的方向性蚀刻来蚀刻顶部电极180。该蚀刻还在管芯仍旧位于晶片上时或在管芯被划分开之后暴露可以被去除(例如，通过蚀刻)的牺牲材料。由于先前所执行的化学机械抛光平坦化，还可以断开顶部电极，从而去除了连同电介质一起的金属层。这可以简化处理，并且因为抛光停止深度不是关键的，所以器件可以被设计为容许这样的抛光。代表性地，选择性湿法蚀刻可以用于蚀刻牺牲材料(例如，在铬作为所使用的牺牲材料的情况下的铬蚀刻，在钨被用作牺牲材料的情况下的温热的过氧化氢)。去除牺牲材料175留下了底部电极170与顶部电极180之间的间隙190。图11示出了图10的结构的顶视图并且示出了包括断开的电极的换能器。
[0028]图12示出了集成电路结构上的换能器的阵列的顶视图。代表性地，在制造衬底的顶部电极连接之前的阵列的一个区段将包含1024x512器件，其中器件至器件的间距为大于0.1至两微米，并且金属层尺寸具有由所使用的工艺的后端设计规则和停止金属层所确定的最小可允许尺寸(例如，0.02μπι至Ιμπι)。在图12中示出了集成换能器的这种3x3阵列的产生的顶视图示意图。图13示出了穿过图12中所示出的器件中的三个器件的截面示意图。
[0029]图14示出了在可选地形成换能器的阱之后的图10的结构。图14示出了例如在结构上引入(沉积)氮化硅的电介质材料195和在电介质材料中形成以暴露电极和限定阱的开口198。这种阱在一方面可以用于包含溶液，该溶液包括用于分析的核酸。
[0030]如果阱必须形成在器件的顶部以用于形成例如隔离的腔或联珠附接(beadattachment)，则可以对工艺做出不同修改。可以仅通过在最终钝化步骤中用氧化物替代氮化物钝化并且添加另一种氮化物沉积/蚀刻步骤以形成阱来实现一个这种替代器件架构。在图14中示出了一个这种替代器件结构的截面示意图。
[0031 ] 示例
[0032]示例I是一种装置，包括:电路衬底，所述电路衬底包括金属层中的接触部；以及换能器，所述换能器包括第一电极和第二电极，所述第一电极设置在所述接触部的侧壁上并且耦合到所述接触部的所述侧壁，所述第二电极耦合到导体，可以通过所述导体施加电压，其中，所述第二电极包括与所述接触部的所述侧壁对准并且与所述第一电极分隔开间隙的轮廓。
[0033]在示例2中，示例I的装置中的接触部包括由两对相对的侧壁限定的厚度，并且所述第一电极親合到每一个侧壁。
[0034]在示例3中，示例2的装置中的第一电极具有相对于所述接触部的所述厚度的高度尺寸，并且所述接触部的所述厚度小于所述第一电极的所述高度尺寸。
[0035]在示例4中，示例3的装置还包括所述接触部上的帽盖材料，所述帽盖材料包括结合到核酸的属性。
[0036]在示例5中，示例4的装置中的帽盖材料包括二氧化硅。
[0037]在示例6中，示例I和2中的任一项的装置中的所述第二电极的材料与用于所述第一电极的材料不同。
[0038]在示例7中，示例I和2中的任一项的装置还包括所述金属层上的电介质材料，所述电介质层包括用于暴露所述换能器的开口。
[0039]示例8是一种方法，包括:形成与衬底上的金属层中的接触部相邻的换能器，所述换能器包括第一电极和第二电极，所述第一电极设置在所述接触部的侧壁上，所述第二电极耦合到导体，可以通过所述导体施加电压，其中，所述第二电极包括与所述接触部的所述侧壁对准并且与所述第一电极分隔开间隙的轮廓。
[0040]在示例9中，示例8的方法中的接触部包括厚度，所述厚度包括基底和由两对相对的侧壁所限定的顶部，并且形成所述换能器包括暴露所述侧壁并且在所述接触部上共形地沉积所述第一电极。
[0041 ]在示例10中，在所述接触部上共形地沉积所述第一电极之前，示例9中的方法包括在所述接触部的所述顶部上沉积帽盖材料，并且共形地沉积所述第一电极包括在所述帽盖材料上沉积所述第一电极。
[0042]在示例11中，在沉积所述帽盖材料之前，示例10中的方法包括使所述接触部凹进。
[0043]在示例12中，示例10的方法还包括从所述接触部的所述顶部去除所述第一电极并且在所述第一电极上共形地沉积牺牲材料。
[0044]在示例13中，示例12的方法还包括在所述牺牲材料和所述接触部上共形地沉积所述第二电极，并且在沉积所述第二电极之后去除所述牺牲材料。
[0045]在示例14中，示例12的方法还包括在所述衬底上沉积电介质材料，并且形成到所述换能器的开口。
[0046]在示例15中，通过示例8-12中的任一项的方法来形成核酸测序平台。
[0047]示例16是一种装置，包括:集成电路衬底，所述集成电路衬底包括由通过金属线耦合的晶体管器件所限定的多个电路，其中，所述衬底上的金属线包括多个接触部和与所述接触部中的每一个接触部相邻的换能器，所述换能器包括设置在所述接触部的侧壁上的第一电极和耦合到导体的第二电极，可以通过所述导体施加电压，其中，所述第二电极包括与所述接触部的所述侧壁对准并且与所述第一电极分隔开间隙的轮廓。
[0048]在示例17中，示例16的装置中的多个接触部中的每一个接触部包括由两对相对的侧壁所限定的厚度，并且所述第一电极耦合到每一个侧壁。
[0049]在示例18中，示例17的装置中的多个接触部中的每一个接触部包括小于所述第一电极的高度尺寸的厚度尺寸。
[0050]在示例19中，示例18的装置还包括所述多个接触部中的每一个接触部上的帽盖材料，所述帽盖材料包括结合到核酸的属性。
[0051 ]在示例20中，示例19的装置中的帽盖材料包括二氧化硅。
[0052]在示例21中，示例16和17中的任一项的装置中的用于所述第二电极的材料与用于所述第一电极的材料不同。
[0053]在示例22中，示例16和17中的任一项的装置还包括所述金属线上的电介质材料，所述电介质层包括开口，所述开口暴露所述换能器中的相应的换能器。
[0054]在以上描述中，为了解释的目的，已经阐述了许多具体细节以便于提供对实施例的全面理解。然而对于本领域技术人员将显而易见的是，可以在没有这些具体细节中的一些具体细节的情况下实践一个或多个其它实施例。所描述的特定实施例不被提供为限制本发明而是对本发明进行说明。本发明的范围不由以上所提供的具体示例来确定而仅仅由所附权利要求来确定。在其它实例中，已经以框图形式或在没有细节的情况下示出了公知的结构、器件、和操作，以便于避免模糊对说明书的理解。在认为适当的情况下，在图中已经重复了附图标记或附图标记的端部部分以指示相对应或类似的元件，其可以可选地具有类似的特性。
[0055]还应当意识的是，贯穿本说明书对例如“一个实施例”、“实施例”、“一个或多个实施例”、或“不同实施例”的引用意指特定特征可以包括在本发明的实践中。类似地，应当意识到的是，在说明书中，为了简化本公开内容并且帮助理解不同的创造性方面，各种特征有时候在单个实施例、附图、或其描述中组合在一起。然而，本公开内容的方法不应被解释为反映本发明相比于每一项权利要求中所明确引用地那样需要更多的特征的意图。相反，如所附权利要求所反映的，创造性方面会存在于少于单个所公开的实施例的全部特征中。因此，【具体实施方式】所附的权利要求于此明确地并入此【具体实施方式】中，其中，每一项权利要求自身作为本发明的单独实施例。
【主权项】
1.一种装置，包括: 电路衬底，所述电路衬底包括金属层中的接触部；以及 换能器，所述换能器包括第一电极和第二电极，所述第一电极设置在所述接触部的侧壁上并且耦合到所述接触部的侧壁，所述第二电极耦合到导体，电压能够通过所述导体施加，其中，所述第二电极包括与所述接触部的所述侧壁对准并且与所述第一电极分隔开一间隙的轮廓。2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述接触部包括由两对相对的侧壁限定的厚度，并且所述第一电极耦合到每一个侧壁。3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述第一电极具有相对于所述接触部的所述厚度的高度尺寸，并且所述接触部的所述厚度小于所述第一电极的所述高度尺寸。4.根据权利要求3所述的装置，还包括所述接触部上的帽盖材料，所述帽盖材料包括结合到核酸的属性。5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述帽盖材料包括二氧化硅。6.根据权利要求1和2中的任一项所述的装置，其中，用于所述第二电极的材料与用于所述第一电极的材料不同。7.根据权利要求1和2中的任一项所述的装置，还包括所述金属层上的电介质材料，所述电介质层包括暴露所述换能器的开口。8.一种方法，包括: 形成与衬底上的金属层中的接触部相邻的换能器，所述换能器包括第一电极和第二电极，所述第一电极设置在所述接触部的侧壁上，所述第二电极耦合到导体，电压能够通过所述导体施加，其中，所述第二电极包括与所述接触部的所述侧壁对准并且与所述第一电极分隔开一间隙的轮廓。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述接触部包括厚度，所述厚度包括基底和由两对相对的侧壁限定的顶部，并且形成所述换能器包括暴露所述侧壁并且在所述接触部上共形地沉积所述第一电极。10.根据权利要求9所述的方法，其中，在所述接触部上共形地沉积所述第一电极之前，所述方法包括在所述接触部的所述顶部上沉积帽盖材料，并且共形地沉积所述第一电极包括在所述帽盖材料上沉积所述第一电极。11.根据权利要求10所述的方法，其中，在沉积所述帽盖材料之前，所述方法包括使所述接触部凹进。12.根据权利要求10所述的方法，还包括从所述接触部的所述顶部去除所述第一电极并且在所述第一电极上共形地沉积牺牲材料。13.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述牺牲材料和所述接触部上共形地沉积所述第二电极，并且在沉积所述第二电极之后去除所述牺牲材料。14.根据权利要求12所述的方法，还包括在所述衬底上沉积电介质材料，并且形成到所述换能器的开口。15.—种核酸测序平台，所述核酸测序平台由根据权利要求8-12中的任一项所述的方法而形成。16.—种装置，包括: 集成电路衬底，所述集成电路衬底包括由通过金属线耦合的晶体管器件所限定的多个电路，其中，所述衬底上的金属线包括多个接触部和与所述接触部中的每一个接触部相邻的换能器，所述换能器包括设置在所述接触部的侧壁上的第一电极和耦合到导体的第二电极，电压能够通过所述导体施加，其中，所述第二电极包括与所述接触部的所述侧壁对准并且与所述第一电极分隔开一间隙的轮廓。17.根据权利要求16所述的装置，其中，所述多个接触部中的每一个接触部包括由两对相对的侧壁所限定的厚度，并且所述第一电极耦合到每一个侧壁。18.根据权利要求17所述的装置，其中，所述多个接触部中的每一个接触部包括小于所述第一电极的高度尺寸的厚度尺寸。19.根据权利要求18所述的装置，还包括所述多个接触部中的每一个接触部上的帽盖材料，所述帽盖材料包括结合到核酸的属性。20.根据权利要求19所述的装置，其中，所述帽盖材料包括二氧化硅。21.根据权利要求16和17所述的装置，其中，用于所述第二电极的材料与用于所述第一电极的材料不同。22.根据权利要求16和17所述的装置，还包括所述金属线上的电介质材料，所述电介质层包括开口，所述开口暴露所述换能器中的相应的换能器。
【文档编号】C12Q1/68GK106029907SQ201480076418
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2014年3月28日
【发明人】O·H·埃利博尔
【申请人】英特尔公司