纳米间隙电极及其制造方法
【专利说明】纳米间隙电极及其制造方法
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求2013年8月27日提交的日本专利申请JP2013-176132和2013年8月28日提交的日本专利申请JP2013-177051的优先权，其中的每一个专利申请通过引用整体并入本文。
【背景技术】
[0003]近年来，在相对的电极之间形成纳米级间隙的电极结构(此处称为纳米间隙电极)已经受到关注。因此，利用纳米间隙电极对电子设备、生物设备和类似设备进行了积极的研究。例如，利用纳米间隙电极分析DNA的核苷酸序列的分析装置已经在生物设备的领域中想至丨J(参见，例如，W02011/108540)。
[0004]在该分析装置中，单链DNA穿过纳米间隙电极的电极之间的纳米级(中空)间隙(此后称为纳米间隙)。当单链DNA的碱基穿过电极之间的纳米间隙时，流过电极的电流可以被测量，从而使得构成单链DNA的碱基能够基于电流值被确定。
[0005]在上述的这种分析装置中，如果纳米间隙电极的电极之间的距离增加，可检测的电流值减小。这使得分析具有高敏感性的样品是困难的。因此，希望电极之间的纳米间隙应被形成为小尺寸。
[0006]用于制造纳米间隙电极的现有方法包括这样的方法，在该方法中，形成在由金等形成的电极形成层上的金属掩模(比如钛掩模)通过用聚焦离子束照射掩模来图案化;通过该图案化的金属掩模暴露的下面的电极层可以被干蚀刻，并且纳米间隙可以由电极层形成，从而形成纳米间隙电极(参见，例如，日本专利公开N0.2004-247203)。
[0007]在上述的用于制造纳米间隙电极的这种方法中，没有被图案化的金属掩模覆盖的暴露的电极层被干蚀刻以形成间隙以用作电极层中的纳米间隙。因此，在电极层中形成的间隙(掩模宽度间隙)的最小宽度是其中金属掩模可以被图案化的最小宽度。因而，该方法具有难以形成比使用标准光刻方法的宽度小的纳米间隙(常规的纳米间隙)的问题。因此，近年来，希望能够形成不仅与常规的纳米间隙相同宽度的纳米间隙而且能够形成比常规的纳米间隙更小的纳米间隙的新制造方法的发展。
[0008]因而，本发明的目的是描述用于制造能够不仅形成与常规的纳米间隙相同宽度的纳米间隙而且形成在宽度上比常规的纳米间隙更小的纳米间隙的纳米间隙电极的方法。
[0009]本发明涉及纳米间隙电极和制造纳米间隙电极的方法。
[0010]聚焦离子束、e束和纳米刻印技术已经被描述为对于产生纳米沟道是有用的，该纳米沟道可以具有20纳米(nm)的宽度和深度，可能地是至少10nm。已经描述了这样的系统，在该系统中，沟道宽度小于双链DNA的回转半径;但是还没有描述宽度足够小于单链DNA的回转半径的宽度的系统和方法。
[0011]存在对于具有足够小的尺寸以便允许样品生物分子进入到纳米间隙结构的纳米沟道的需要，从而允许较高百分比的生物分子的询问，同时也可能地防止在生物分子的不同部分之间形成次级结构。
[0012]然而，在上述的制造纳米间隙电极的这种方法中，未被图案化的金属掩模覆盖的暴露的电极层可以被干蚀刻以形成间隙以用作电极层中的纳米间隙。因此，在电极层中形成的间隙的最小宽度(其对应于掩模间隙的宽度)是金属掩模可以被图案化的最小宽度。因此，该方法具有难以形成比可以在金属掩模上形成的最小特征的宽度小的纳米间隙的问题。
【发明内容】
[0013]本公开提供了用于纳米间隙电极和纳米沟道系统的设备、系统和方法。本文提供的方法可以用于形成具有比利用其它目前可利用的方法形成的间隙小的纳米间隙的纳米间隙电极。
[0014]在某些实施例中，制造纳米间隙电极的方法包括利用布置在电极形成部上的侧壁作为掩模，以及形成具有通过在电极形成部上的侧壁的膜厚度调节的宽度的纳米间隙。
[0015]在其它实施例中，制造纳米间隙电极的方法包括在形成在衬底上的第一电极形成部的横向壁上形成侧壁，并且然后形成第二电极形成部以便邻接侧壁，从而将侧壁布置在第一电极形成部和第二电极形成部之间；以及暴露第一电极形成部、侧壁和第二电极形成部的表面并且去除侧壁，从而在第一电极形成部和第二电极形成部之间形成纳米间隙。
[0016]在另外的实施例中，制造纳米间隙电极的方法包括布置具有跨过在电极形成部上的间隙彼此相对的横向壁的间隙形成掩模;在间隙形成掩模的横向壁的两个上形成侧壁，以及暴露在侧壁之间的电极形成部；以及去除在侧壁之间暴露的电极形成部以在其间形成纳米间隙。
[0017]在另外的实施例中，制造纳米间隙电极的方法包括去除在间隙形成掩模中提供的侧壁以在间隙形成掩模中形成间隙以将电极形成部暴露到间隙之外；以及去除暴露到间隙之外的电极形成部以在间隙内形成纳米间隙。
[0018]在其它实施例中，制造纳米间隙电极的方法包括在布置在电极形成部上的侧壁形成掩模的横向壁上形成侧壁，并且然后去除侧壁形成掩模以垂直地建立侧壁;形成间隙形成掩模以包围侧壁;去除侧壁以在间隙形成掩模中形成间隙，以及将电极形成部暴露到间隙之外；以及去除暴露到间隙之外的电极形成部以在间隙内形成纳米间隙。
[0019]在另外的实施例中，制造纳米间隙电极的方法包括在布置在电极形成部上的第一间隙形成掩模的横向壁上形成侧壁，以及然后形成第二间隙形成掩模以便邻接侧壁，从而将侧壁布置在第一间隙形成掩模和第二间隙形成掩模之间；暴露第一间隙形成掩模、侧壁和第二间隙形成掩模的表面以及去除侧壁，从而在第一间隙形成掩模和第二间隙形成掩模之间形成间隙；以及去除在间隙内的电极形成部以在间隙内形成纳米间隙。
[0020]根据本发明，形成具有通过侧壁的膜厚度调节的宽度的纳米间隙是可能的。因此，不仅形成与常规的纳米间隙相同宽度的纳米间隙而且也形成甚至比常规的纳米间隙更小宽度的纳米间隙是可能的。
[0021]根据本发明的一方面，制造纳米间隙电极的方法可包括:在相对的电极形成部上膜形成化合物产生层，以及然后进行热处理;使电极形成部与化合物产生层反应;通过反应形成两个体积膨胀的相对的电极；以及通过体积膨胀使电极的侧壁彼此更靠近，从而在电极之间形成纳米间隙。
[0022]根据本公开的另一方面，制造纳米间隙电极的方法包括:
[0023]形成依照位于衬底上的一对相对的电极形成部上的特定宽度选择的掩模；
[0024]在电极形成部上形成化合物产生层的膜；
[0025]进行热处理以使化合物产生层与电极形成部反应以形成彼此相对的两个电极并且通过由反应引起的体积膨胀穿透掩模以下，从而通过体积膨胀使电极的侧壁比掩模的宽度更靠近彼此；以及
[0026]去除掩模和残留在之前在掩模下的区域中的电极形成部的任何未反应的部分，从而在电极之间形成纳米间隙。
[0027]根据本发明的另一方面，制造纳米间隙电极的方法包括:
[0028]形成跨过衬底上的间隙彼此相对布置的两个电极形成部；
[0029]在电极形成部上形成化合物产生层的膜；以及
[0030]进行热处理以引起化合物产生层与电极形成部的反应以形成通过反应而体积膨胀并且彼此相对的两个电极，从而通过体积膨胀使电极部件的侧壁彼此更靠近以形成比间隙小的纳米间隙。
[0031]在另一实施例中，电极之间的间隙可以制造得更小大电极的体积膨胀的量那么多。因此，提供具有比通过标准光刻处理形成的间隙甚至更小的纳米间隙的纳米间隙电极以及提供这种纳米间隙电极的方法是可能的。
[0032]在某些实施例中，诸如本文描述的方法的用于形成纳米间隙电极结构的方法可以用于形成可以比利用常规的半导体过程(比如e束、离子束铣或纳米刻印光刻)形成的要小的纳米沟道。
[0033]本公开的一方面提供了一种用于制造具有至少一个纳米间隙的传感器的方法，包括:(a)提供邻近于衬底的第一电极形成部、邻近于第一电极形成部的侧壁和邻近于侧壁的第二电极形成部；(b)去除侧壁，从而在第一电极形成部和第二电极形成部之间形成纳米间隙；以及(C)将第一电极形成部和第二电极形成部制备用作电极，当目标物质布置在电极之间时电极检测跨过纳米间隙的电流。在实施例中，电流是隧穿电流。
[0034]在实施例中，将第一电极形成部和第二电极形成部制备用作电极包括去除第一电极形成部和第二电极形成部的至少一部分以提供电极。在另一实施例中，第一电极形成部和/或第二电极形成部由金属氮化物形成。在另一实施例中，第一电极形成部和/或第二电极形成部由氮化钛形成。在另一实施例中，衬底包括邻近于半导体层的半导体氧化物层。在另一实施例中，半导体是硅。
[0035]在实施例中，侧壁具有小于或等于约2纳米的宽度。在另一实施例中，宽度小于或等于约I纳米。在另一实施例中，宽度大于约0.5纳米。
[0036]在实施例中，方法还包括在(C)之前暴露第一电极形成部、侧壁和第二电极形成部的表面。
[0037]在实施例中，方法还包括在(b)之前，去除侧壁的一部分使得在第一电极形成部和第二电极形成部之间的侧壁的横截面具有四边形形状。
[0038]在实施例中，方法还包括形成与纳米间隙相交的沟道。在另一实施例中，沟道是被覆盖的沟道。
[0039]本公开的另一方面提供一种形成具有至少一个纳米间隙的传感器的方法，包括:(a)布置具有跨过邻近于衬底的电极形成部上的间隙彼此相对的横向壁的间隙形成掩模，其中间隙具有第一宽度；(b)在间隙形成掩模的横向壁上形成侧壁，其中电极形成部在侧壁之间暴露；(c)去除在侧壁之间暴露的电极形成部的一部分以在其间形成纳米间隙，其中纳米间隙具有小于第一宽度的第二宽度；(d)去除侧壁以暴露由纳米间隙分隔开的电极形成部的部分；以及(e)将电极形成部的部分制备用作电极，当目标物质被布置在电极之间时，所述电极检测跨过所述纳米间隙的电流。在实施例中，电流是隧穿电流。
[0040]在实施例中，将电极形成部的部分制备用作电极包括去除电极形成部的部分以提供电极。在另一实施例中，衬底包括邻近于半导体层的半导体氧化物层。在另一实施例中，半导体是娃。
[0041]在实施例中，第二宽度小于或等于约2纳米。在另一实施例中，第二宽度小于或等于约I纳米。在另一实施例中，第二宽度大于约0.5纳米。
[0042]在实施例中，目标物质是核酸分子，并且其中第二宽度小于核酸分子的直径的宽度。在另一实施例中，间隙形成掩模和侧壁由不同材料形成。
[0043]在实施例中，方法还包括形成与纳米间隙相交的沟道。在另一实施例中，沟道是被覆盖的沟道。
[0044]本公开的另一方面提供一种形成具有至少一个纳米间隙的传感器的方法，包括:(a)提供包括侧壁的掩模，其中侧壁邻近于邻近衬底的电极形成部布置；(b)去除侧壁以在掩模中形成间隙，其中间隙暴露电极形成部的一部分；(C)去除电极形成部的一部分以形成纳米间隙；(d)去除掩模以暴露由纳米间隙分隔开的电极形成部的部分；以及(e)将电极形成部的部分制备用作电极，当目标物质被布置在电极之间时，所述电极检测跨过纳米间隙的电流。在实施例中，电流是隧穿电流。在另一实施例中，目标物质是核酸分子，且其中侧壁具有小于核酸分子的直径的宽度。
[0045]在实施例中，将电极形成部的部分制备用作电极包括去除电极形成部的所述部分以提供电极。
[0046]在实施例中，(a)包括(i)在邻近于电极形成部布置的第一掩模的横向壁上提供侧壁，U )去除第一掩模，以及(iii)形成邻近于侧壁的第二掩模，其中掩模包括第二掩模的至少一部分。在另一实施例中，去除第一掩模暴露电极形成部。在另一实施例中，第二掩模覆盖侧壁。在另一实施例中，在去除第一掩模之后，侧壁是具有小于或等于约10纳米(nm)、5nm、4nm、3nm、2nm、lnm、0.9nm、0.8nm、0.7nm、0.6nm 或 0.5nm 的宽度的独立侧壁。
[0047]在实施例中，(a)包括(i)在邻近于电极形成部布置的第一掩模的横向壁上提供侧壁，(?)形成邻近于侧壁的第二掩模，以及(m)蚀刻第二掩模，其中掩模包括第一掩模和第二掩模的至少一部分。在另一实施例中，形成邻近于侧壁的第二掩模包括覆盖第一掩模和侧壁的第二掩模。在另一实施例中，蚀刻第二掩模包括蚀刻第一掩模和/或侧壁。
[0048]在实施例中，方法还包括形成与纳米间隙相交的沟道。在另一实施例中，沟道是被覆盖的沟道。
[0049]在实施例中，衬底包括邻近于半导体层的半导体氧化物层。在另一实施例中，半导体是娃。
[0050]在实施例中，(a)还包括提供侧壁形成层并且蚀刻侧壁形成层以形成所述侧壁。
[0051]在实施例中，纳米间隙具有小于或等于约2纳米的宽度。在另一实施例中，宽度小于或等于约I纳米。在另一实施例中，宽度大于约0.5纳米。
[0052]在实施例中，方法还包括形成与纳米间隙相交的沟道。在另一实施例中，沟道是被覆盖的沟道。
[0053]本公开的另一方面提供一种制造纳米间隙电极传感器的方法，包括:(a)在具有第二材料的电极形成部上提供具有第一材料的膜，其中电极形成部邻近于衬底布置；(b)加热膜以使第一材料和第二材料反应，从而形成体积膨胀的并且彼此相对的两个电极部件，其中电极部件中的每一个具有侧壁；(C)通过体积膨胀使得电极部件的侧壁朝向彼此，从而在电极部件之间形成纳米间隙；以及(d)将电极形成部制备用作电极，当目标物质被布置在电极之间时，所述电极检测跨过纳米间隙的电流。在实施例中，电流是隧穿电流。
[0054]在实施例中，将电极形成部制备用作电极包括去除所述电极部件的至少一部分以提供电极。在另一实施例中，(a)包括(i)形成依照电极形成部的宽度选择的掩模，(ii)在电极形成部上形成膜。在另一实施例中，在形成两个电极部件时，两个电极部件通过由反应产生的体积膨胀而穿透到掩模内，从而使电极部件的侧壁朝向彼此。在另一实施例中，方法还包括去除掩模和残留在掩模的下部区域中的电极部件的一个或多个未反应的部分，从而在电极部件之间形成纳米间隙。
[0055]在实施例中，方法还包括形成与纳米间隙相交的沟道。在另一实施例中，沟道是被覆盖的沟道。
[0056]本公开的另一方面提供一种制造具有至少一个纳米间隙电极的传感器的方法，包括:(a)提供邻近于衬底的两个电极形成部，其中电极形成部跨过具有第一宽度的间隙彼此相对布置；(b)在电极形成部上形成化合物产生层的膜；(C)进行热处理以便于化合物产生层和电极形成部中的至少一个之间的反应以形成通过反应而体积膨胀的至少一个电极部件，从而通过体积膨胀使电极形成部的侧壁朝向彼此以形成具有比第一宽度小的第二宽度的纳米间隙；以及(d)将电极形成部制备用作电极，当目标物质被布置在所述电极之间时，所述电极检测跨过所述纳米间隙的电流。在实施例中，电流是隧穿电流。
[0057]在实施例中，将电极形成部制备用作电极包括去除电极形成部的部分以提供电极。在另一实施例中，化合物产生层是硅化物产生层，其中(C)包括在反应期间电极形成部的硅化，并且其中电极形成部在硅化期间体积膨胀。
[0058]在实施例中，第二宽度小于或等于约2纳米。在另一实施例中，第二宽度小于或等于约I纳米。在另一实施例中，第二宽度大于约0.5纳米。
[0059]在实施例中，目标物质是核酸分子，并且其中第二宽度小于核酸分子的直径。
[0060]在实施例中，(C)包括在化合物产生层和两个电极形成部之间的反应。在另一实施例中，(C)包括在化合物产生层和仅一个电极形成部之间的反应。
[0061]在实施例中，方法还包括形成与纳米间隙相交的沟道。在另一实施例中，沟道是被覆盖的沟道。
[0062]本公开的另一方面提供一种纳米间隙电极传感器，包括跨过衬底上的纳米间隙相对地布置的至少两个电极部件，其中电极部件的相对的侧壁逐渐地更靠近彼此并且侧壁之间的宽度逐渐变窄，并且其中电极适合于在目标物质被布置在电极之间时检测跨过纳米间隙的电流。在实施例中，电流是隧穿电流。
[0063]在实施例中，电极部件由金属硅化物形成。在另一实施例中，纳米间隙形成为尾部弯曲的形状，其中电极部件的侧壁之间的距离随着纳米间隙接近衬底而逐渐加宽。在另一实施例中，侧壁包括与衬底接触的向外膨胀的部分。
[0064]在实施例中，传感器还包括与纳米间隙相交并且与纳米间隙流体连通的沟道。在另一实施例中，沟道是被覆盖的沟道。
[0065]本公开的另外的方面和优点将从以下详细描述中容易被本领域技术人员明白，其中仅显示和描述了本公开的示例性实施例。如将认识到的，本公开能够是其它和不同的实施例，并且其若干细节能够在各种明显方面中修改，所有都不偏离本公开。因此，附图和说明书被认为本质上是示范性的且不是限制性的。
[0066]通过引用并入
[0067]本说明书中提到的所有公布、专利和专利申请在此通过引用并入，就好像每一个单独的公布、专利或专利申请被具体地和单独地表示为通过引用被并入的相同的程度。
【附图说明】
[0068]本发明的新颖性特征特别是在所附权利要求中阐述。本发明的特征和优点的更好理解将通过参考采用了本发明的原理的阐述示例性实施例和附图(此处也为“附图”和“图”)的以下详细描述来获得，在附图中:
[0069]图1是示出通过制造方法制造的纳米间隙电极的配置的示意图；
[0070]图2A-2F是用于制造图1的纳米间隙电极的方法的说明的示意图；
[0071]图3A-3F是用于制造图1的纳米间隙电极的方法的说明的示意图；
[0072]图4是示出通过制造方法制造的纳米间隙电极的配置的示意图；
[0073]图5是用于制造图4的纳米