具有一致传感器表面区域的化学传感器的制造方法
【专利说明】具有一致传感器表面区域的化学传感器
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年11月6日提交的美国临时申请号61/900，907和2013年3月15日提交的61/790,866的优先权，其全部内容通过引用以它们的整体并入本文。
技术领域
[0003]本公开涉及用于化学分析的传感器，和涉及制造这样的传感器的方法。
【背景技术】
[0004]各种类型的化学传感器已经用于化学过程的检测。一种类型是化学灵敏的场效应晶体管(chemFET)。chemFET包括由通道区域分开的源极和漏极，和偶联至通道区域的化学灵敏区域。ChemFET的运转是基于通道电导的调制，其是由于附近发生的化学反应在灵敏区域的电荷的改变造成的。通道电导的调制改变chemFET的阈值电压，其可被测量，以检测和/或测定化学反应的特征。可例如通过施加适当的偏压电压至源极和漏极，和测量流过chemFET的所得电流测量阈值电压。作为另一实施例，可通过驱动已知电流通过chemFET，和测量在源极或漏极的所得电压。
[0005]离子灵敏的场效应晶体管(ISFET)是在灵敏区域包括离子灵敏的层的一类chemFET。分析物溶液中离子的存在改变离子灵敏的层和分析物溶液之间界面处的表面电位，其是由于分析物溶液中存在的离子造成的表面电荷基团的质子化或去质子化。ISFET的灵敏区域处表面电位的改变影响可测量的设备的阈值电压，以指示溶液中离子的存在和/或浓度。ISFET阵列可用于监测化学反应，比如DNA测序反应，其基于反应期间存在、产生或使用的离子的检测。见，例如，2009年12月14日提交的Rothberg等美国专利申请号12/002，291(现美国专利号7，948，015)，其基于2007年8月16日提交的美国临时专利申请号60/956，324，2007年7月10日提交的60/968，748，和2006年12月14日提交的60/870, 073的优先权，其通过引用以其整体并入本文。更一般而言，大的chemFET阵列或其他类型的化学传感器可用于检测和测量各种过程中各种分析物(例如氢离子、其他离子、化合物等)的静态和/或动态量或浓度。过程可例如是生物或化学反应、细胞或组织培养或监测天然活性、核酸测序等。
[0006]操作大尺寸化学传感器阵列出现的问题是传感器输出信号容易遭受噪声的影响。具体而言，噪声影响用于测定通过传感器检测的化学和/或生物过程的特征的下游信号处理的精确性。另外，横跨阵列的化学传感器性能变化产生传感器输出信号的非期望的差异，其使下游信号处理更加复杂。所以期望提供包括低噪声化学传感器的设备，和制造这样的设备的方法。
【发明内容】
[0007]在一个实施方式中，描述了化学传感器。化学传感器包括化学灵敏的场效应晶体管，其包括具有上表面的浮栅导体；材料，其限定延伸至浮栅导体上表面的开孔，所述材料包括在第二电介质下方的第一电介质；和导电元件，其接触所述浮栅导体的上表面并且沿着所述开孔的侧壁延伸一定的距离。在示例性实施方式中，化学传感器的开孔可包括所述第一电介质中的下部和所述第二电介质中的上部。在另一实施方式中，所述开孔的下部的宽度基本上与所述上部的宽度相同。在仍另一实施方式中，导电元件与开孔的形状共形。在一个实施方式中，导电元件延伸至第二电介质的上表面。在示例性实施方式中，导电元件包括限定所述化学传感器的反应区域下部的内表面，和第二电介质包括限定所述开孔上部的内表面。在示例性实施方式中，导电元件包括导电材料，和所述导电元件的内表面包括所述导电材料的氧化物。在另一实施方式中，所述化学传感器的传感表面包括所述导电元件的内表面。在仍另一实施方式中，化学灵敏的场效应晶体管响应在所述导电元件附近发生的化学反应而产生传感器信号。在一个实施方式中，浮栅导体包括彼此电耦联并且由电介质层分开的多个导体，和浮栅导体是多个导体中的最上导体。
[0008]在另一实施方式中，描述了制造化学传感器的方法。方法包括形成化学灵敏的场效应晶体管，其包括具有上表面的浮栅导体；形成材料，其限定延伸至浮栅导体上表面的开孔，所述材料包括在第二电介质下方的第一电介质；和形成导电元件，其接触所述浮栅导体的上表面并且沿着所述开孔的侧壁延伸一定的距离。在示例性实施方式中，形成材料和形成导电元件可包括在所述浮栅导体上形成第一电介质，第一电介质限定延伸至所述浮栅导体上表面的腔；在其上形成第二电介质；蚀刻第二电介质，以暴露所述导电元件，从而限定开孔；和在开孔中形成导电元件。根据另一实施方式，在开孔中形成导电元件可包括将导电材料沉积在开孔中和第一电介质的上表面上；和从第二电介质的上表面去除至少一部分导电材料。在仍另一实施方式中，去除至少部分导电材料可包括将光刻胶层沉积在开孔中；和从第二电介质的上表面与光刻胶一起去除至少一部分导电材料。在一个实施方式中，导电材料包括钛。在示例性实施方式中，开孔是纳米孔。在示例性实施方式中，形成导电元件包括将导电材料共形沉积在开孔中。在另一实施方式中，导电元件包括限定所述化学传感器的反应区域下部的内表面，和第二电介质包括限定所述开孔上部的内表面。
[0009]在本说明书中描述的主题的一个实施方式的具体方面阐释在附图和下面说明书中。主题的其他特征、方面和优势将从说明书、附图和权利要求中变得显而易见。
【附图说明】
[0010]图1根据示例性实施方式图解用于核酸测序的系统组件的方块图。
[0011]图2根据示例性实施方式图解一部分集成电路设备和流动池的横截面图。
[0012]图3根据第一实施方式图解两个代表性化学传感器和它们相应的反应区域的横截面图。
[0013]图4至12根据第一实施方式阐释形成化学传感器阵列和相应的反应区域的制造工艺的阶段。
[0014]图13至25根据第二实施方式阐释用于形成化学传感器的阵列和相应的反应区域的制造工艺的阶段。
[0015]发明详述
[0016]描述了包括低噪声化学传感器比如化学灵敏的场效应晶体管(chemFETs)的化学检测设备，用于检测叠加的可操作相关化学反应中的化学反应。减小单个化学传感器和叠加反应区域的平视图或顶视图面积(或占地面积)允许更高密度的设备。但是，随着化学传感器的尺寸减小，申请人已经发现传感器的传感表面区域的相应减小可明显影响性能。例如，对于具有在反应区域底部限定的传感表面的化学传感器，减小反应区域的平视图尺寸(例如宽度或直径)使得传感表面区域类似减小。申请人已经发现随着传感表面区域下降至技术限制，由于传感表面上电荷随机波动的流体噪声，使得增加比例的传感表面电位的总体变化。这可显著降低传感器输出信号的信噪比(SNR)，其影响用于测定通过传感器检测的化学和/或生物过程的特征的下游信号处理的精确性。
[0017]本文所述的化学传感器具有不限于在反应区域底部的二维面积的传感表面区域。在本文所述的实施方式中，所述化学传感器的传感表面包括沿着反应区域的底部表面的大体上水平部分，以及沿着包含反应区域的开孔的侧壁延伸的大体上竖直部分。大体上竖直部分沿着侧壁延伸的距离由形成开孔下部的电介质材料的厚度限定。使用在阵列间产生非常小厚度变化的过程(例如薄膜沉积)可沉积电介质材料。在这样的情况下，化学传感器的传感器表面区域可被非常良好控制，产生阵列间均匀的化学传感器性能和因此简化下游信号处理。通过在大体竖直方向上延伸传感表面，化学传感器可具有小的占地面积，同时也具有足够大的传感表面区域，以避免与小的传感表面相关的噪声问题。化学传感器的占地面积部分由叠加反应区域的宽度(例如直径)决定并且可造小，允许高密度阵列。另外，因为传感表面在侧壁上延伸控制的距离，传感表面区域可相对大。结果，可以以高密度阵列提供低噪声化学传感器，使得可精确检测反应的特征。
[0018]图1根据示例性实施方式图解用于核酸测序的系统组件的方块图。组件包括在集成电路设备100上的流动池101、参考电极108、用于测序的多个试剂114、阀组116、洗液110、阀112、流体控制器118、线路120/122/126、通路104/109/111、废物容器106、阵列控制器124，和用户界面128。集成电路设备100包括微孔阵列107叠加传感器阵列，其包括如本文所描述的化学传感器。流动池101包括入口 102、出口 103和流动腔105，其限定试剂114在微孔阵列107上的流动路径。参考电极108可以是任何适当类型或形状，包括具有流体通路或插入通路111内腔的导线的同心圆柱体。试剂114可通过栗、气压、真空，或其他适当的方法驱动通过流体通路、阀和流动池101，并且在离开流动池101的出口 103之后可丢入废物容器106。流体控制器118可用适当的软件控制用于试剂114的驱动力和阀112和阀组116的操作。
[0019]微孔阵列107包括反应区域，也本文称为微孔，其操作上与传感器阵列中相应的化学传感器相关联。例如，每个反应区域可耦联适于检测该反应区域中感兴趣的分析物或反应性质的化学传感器。微孔阵列107可整合在集成电路设备100中，从而微孔阵列107和传感器阵列是单个设备或芯片的一部分。流动池101可具有各种构造，用于控制微孔阵列107上试剂114的通路和流速。阵列控制器124为集成电路设备100提供偏压电压和定时和控制信号，用于读取传感器阵列的化学传感器。阵列控制器124也为参考电极108提供参考偏压电压，以使流过微孔阵列107的试剂114