具有薄导电元件的化学设备的制造方法
【专利说明】具有薄导电元件的化学设备
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年8月22日提交的美国临时申请号61/868，942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，一般而言，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]各种类型的化学设备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的所得电流来测量阈值电压。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，其基于反应期间离子存在的检测，产生，或使用。见，例如，Rothberg等的美国专利号7，948，015，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设备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。过程可以是例如生物或化学反应、细胞或组织培养或监测天然活性、核酸测序等。
[0006]操作大尺寸化学设备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。所以期望提供设备，包括低噪声化学设备，和制造这样的设备的方法。
【发明内容】
[0007]在一个示例性实施方式中，公开了化学设备。传感器包括化学灵敏的场效应晶体管，其包括包含彼此电耦联的多个浮栅导体的浮栅结构。导电元件与多个浮栅导体中的最上浮栅导体叠加并且通信。导电元件可比最上浮栅导体更宽和更薄。传感器进一步包括电介质材料，其限定延伸至导电元件的上表面的开孔。根据示例性实施方式，导电元件可包括下述至少一种:钛、钽、亚硝酸钛，和铝，和/或其氧化物和/或混合物。根据另一实施方式，化学设备中相邻导电元件之间的距离是约0.18微米。在仍另一实施方式中，导电元件的厚度是约0.l-0.2微米。在一个实施方式中，多个浮栅导体中的最上浮栅导体可具有的厚度大于多个浮栅导体中其他浮栅导体的厚度。在另一实施方式中，导电元件可包括的材料与构成最上浮栅导体的材料不同。根据示例性实施方式，导电元件可包括的材料与构成最上浮栅导体的材料不同。根据另一实施方式，电介质材料的内表面和导电元件的上表面限定化学设备的反应区域的外表面。在仍另一实施方式中，多个浮栅导体在进一步包括阵列线和总线的层中。在一个实施方式中，化学设备包括传感器区域，其包含化学灵敏的场效应晶体管，和包含外周电路的外周区域，以从化学灵敏的场效应晶体管获得信号。在一个实施方式中，导电元件在仅仅在传感器区域中的导电层中。在另一实施方式中，导电元件包括不在夕卜周区域中的材料。根据示例性实施方式，化学灵敏的场效应晶体管可包括浮栅结构，其包括彼此电耦联并且由电介质层分开的多个导体，并且浮栅导体可在多个导体中的最上导体上。根据另一实施方式，电介质材料的第一层可以是氮化硅和第二层可以是二氧化硅和正硅酸四乙酯的至少一种，和第二层限定开孔的侧壁。在一个实施方式中，化学设备可进一步包括微流体结构，其与化学灵敏的场效应晶体管流体流动通信，并且布置为递送分析物用于测序。
[0008]在另一示例性实施方式中，公开了用于制造化学设备的方法。方法包括形成化学灵敏的场效应晶体管，其包括包含彼此电耦联的多个浮栅导体的浮栅结构。方法进一步包括形成导电元件，其与多个浮栅导体中的最上浮栅导体叠加和通信。导电元件比最上浮栅导体更宽和更薄。方法进一步包括形成电介质材料，其限定延伸至导电元件的上表面的开孔。根据示例性实施方式，导电元件的上表面限定所述化学传感器的反应区域的底部表面。根据另一实施方式，电介质材料的内表面和导电元件的上表面限定化学传感器的反应区域的外边界。在仍另一实施方式中，在仅仅在化学设备的传感器区域中的导电层中形成导电元件。
[0009]在本说明书中描述的主题的一个或多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根据示例性实施方式图解代表性化学设备和相应的反应区域的横截面图。
[0013]图4至14根据示例性实施方式阐释用于形成化学设备阵列和相应的开孔结构的制造工艺的阶段。
[0014]图15根据示例性实施方式图解包括示例性传感器区域和示例性外周区域的示例性化学设备的方块图。
[0015]发明详述
[0016]描述的化学设备包括低噪声化学设备，比如化学灵敏的场效应晶体管(chemFETs)，用于检测叠加的可操作相关化学反应中的化学反应。化学设备的传感器可包括多个浮栅导体，传感层沉积在多个浮栅导体的最上漂浮导体上。但是，申请人已经发现在多个浮栅导体的最上漂浮导体上方添加用于传感的另外层的优势是克服了技术挑战和另外层的成本。例如，申请人已经发现了本文所述的化学设备的优势包括提供增强光刻工艺余量；(例如，防止开孔的位移和/或烧坏)；和在电介质中比提供比可能更大的开孔是传感区域直接在最上浮栅导体的顶部(例如，更大的孔可适应更多的信号)。
[0017]本文所述的示例性化学设备具有传感表面区域，其可包括用于传感的专用层。在本文所述的实施方式中，导电元件与最上浮栅导体叠加并且通信。因为最上浮栅导体可用于提供阵列线(例如字线，位线等)和总线用于访问化学设备/为化学设备供电，最上浮栅导体应是适当的材料或材料的混合物并且为其具有足够的厚度。因为导电元件在化学设备的衬底上不同层中，导电元件可用作专用传感表面区域，不依赖于最上浮栅结构的材料和厚度。例如，导电元件可比最上浮栅导体更宽，使得传感表面区域可相对大。例如，导电元件可比最上浮栅导体更薄，使得传感表面区域可提供用于传感的增加的灵敏性。结果，可以以高密度阵列提供低噪声化学设备，使得可精确检测反应的特征。
[0018]另外，最上浮栅导体不需要推送至处理极限；同时相邻的浮栅导体应具有适于携带高电流的厚度(即用于第电阻率)，相邻浮栅导体之间的空间不需要是工艺设计规则允许的最小空间。用于最上浮栅导体的材料(一种或多种)应适于高电流。提供与最上浮栅导体叠加并且通信的导电元件，为选择用于导电元件的材料提供了更大的自由度，因为导电元件在与最上浮栅导体不同的层上。
[0019]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