納米間隙電極及其制造方法
【專利說明】納米間隙電極及其制造方法
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請要求2013年8月27日提交的日本專利申請JP2013-176132和2013年8月28日提交的日本專利申請JP2013-177051的優(yōu)先權，其中的每一個專利申請通過引用整體并入本文。
【背景技術】
[0003]近年來，在相對的電極之間形成納米級間隙的電極結構(此處稱為納米間隙電極)已經(jīng)受到關注。因此，利用納米間隙電極對電子設備、生物設備和類似設備進行了積極的研究。例如，利用納米間隙電極分析DNA的核苷酸序列的分析裝置已經(jīng)在生物設備的領域中想至丨J(參見，例如，W02011/108540)。
[0004]在該分析裝置中，單鏈DNA穿過納米間隙電極的電極之間的納米級(中空)間隙(此后稱為納米間隙)。當單鏈DNA的堿基穿過電極之間的納米間隙時，流過電極的電流可以被測量，從而使得構成單鏈DNA的堿基能夠基于電流值被確定。
[0005]在上述的這種分析裝置中，如果納米間隙電極的電極之間的距離增加，可檢測的電流值減小。這使得分析具有高敏感性的樣品是困難的。因此，希望電極之間的納米間隙應被形成為小尺寸。
[0006]用于制造納米間隙電極的現(xiàn)有方法包括這樣的方法，在該方法中，形成在由金等形成的電極形成層上的金屬掩模(比如鈦掩模)通過用聚焦離子束照射掩模來圖案化;通過該圖案化的金屬掩模暴露的下面的電極層可以被干蝕刻，并且納米間隙可以由電極層形成，從而形成納米間隙電極(參見，例如，日本專利公開N0.2004-247203)。
[0007]在上述的用于制造納米間隙電極的這種方法中，沒有被圖案化的金屬掩模覆蓋的暴露的電極層被干蝕刻以形成間隙以用作電極層中的納米間隙。因此，在電極層中形成的間隙(掩模寬度間隙)的最小寬度是其中金屬掩?？梢员粓D案化的最小寬度。因而，該方法具有難以形成比使用標準光刻方法的寬度小的納米間隙(常規(guī)的納米間隙)的問題。因此，近年來，希望能夠形成不僅與常規(guī)的納米間隙相同寬度的納米間隙而且能夠形成比常規(guī)的納米間隙更小的納米間隙的新制造方法的發(fā)展。
[0008]因而，本發(fā)明的目的是描述用于制造能夠不僅形成與常規(guī)的納米間隙相同寬度的納米間隙而且形成在寬度上比常規(guī)的納米間隙更小的納米間隙的納米間隙電極的方法。
[0009]本發(fā)明涉及納米間隙電極和制造納米間隙電極的方法。
[0010]聚焦離子束、e束和納米刻印技術已經(jīng)被描述為對于產(chǎn)生納米溝道是有用的，該納米溝道可以具有20納米(nm)的寬度和深度，可能地是至少10nm。已經(jīng)描述了這樣的系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，溝道寬度小于雙鏈DNA的回轉半徑;但是還沒有描述寬度足夠小于單鏈DNA的回轉半徑的寬度的系統(tǒng)和方法。
[0011]存在對于具有足夠小的尺寸以便允許樣品生物分子進入到納米間隙結構的納米溝道的需要，從而允許較高百分比的生物分子的詢問，同時也可能地防止在生物分子的不同部分之間形成次級結構。
[0012]然而，在上述的制造納米間隙電極的這種方法中，未被圖案化的金屬掩模覆蓋的暴露的電極層可以被干蝕刻以形成間隙以用作電極層中的納米間隙。因此，在電極層中形成的間隙的最小寬度(其對應于掩模間隙的寬度)是金屬掩?？梢员粓D案化的最小寬度。因此，該方法具有難以形成比可以在金屬掩模上形成的最小特征的寬度小的納米間隙的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]本公開提供了用于納米間隙電極和納米溝道系統(tǒng)的設備、系統(tǒng)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間隙小的納米間隙的納米間隙電極。
[0014]在某些實施例中，制造納米間隙電極的方法包括利用布置在電極形成部上的側壁作為掩模，以及形成具有通過在電極形成部上的側壁的膜厚度調(diào)節(jié)的寬度的納米間隙。
[0015]在其它實施例中，制造納米間隙電極的方法包括在形成在襯底上的第一電極形成部的橫向壁上形成側壁，并且然后形成第二電極形成部以便鄰接側壁，從而將側壁布置在第一電極形成部和第二電極形成部之間；以及暴露第一電極形成部、側壁和第二電極形成部的表面并且去除側壁，從而在第一電極形成部和第二電極形成部之間形成納米間隙。
[0016]在另外的實施例中，制造納米間隙電極的方法包括布置具有跨過在電極形成部上的間隙彼此相對的橫向壁的間隙形成掩模;在間隙形成掩模的橫向壁的兩個上形成側壁，以及暴露在側壁之間的電極形成部；以及去除在側壁之間暴露的電極形成部以在其間形成納米間隙。
[0017]在另外的實施例中，制造納米間隙電極的方法包括去除在間隙形成掩模中提供的側壁以在間隙形成掩模中形成間隙以將電極形成部暴露到間隙之外；以及去除暴露到間隙之外的電極形成部以在間隙內(nèi)形成納米間隙。
[0018]在其它實施例中，制造納米間隙電極的方法包括在布置在電極形成部上的側壁形成掩模的橫向壁上形成側壁，并且然后去除側壁形成掩模以垂直地建立側壁;形成間隙形成掩模以包圍側壁;去除側壁以在間隙形成掩模中形成間隙，以及將電極形成部暴露到間隙之外；以及去除暴露到間隙之外的電極形成部以在間隙內(nèi)形成納米間隙。
[0019]在另外的實施例中，制造納米間隙電極的方法包括在布置在電極形成部上的第一間隙形成掩模的橫向壁上形成側壁，以及然后形成第二間隙形成掩模以便鄰接側壁，從而將側壁布置在第一間隙形成掩模和第二間隙形成掩模之間；暴露第一間隙形成掩模、側壁和第二間隙形成掩模的表面以及去除側壁，從而在第一間隙形成掩模和第二間隙形成掩模之間形成間隙；以及去除在間隙內(nèi)的電極形成部以在間隙內(nèi)形成納米間隙。
[0020]根據(jù)本發(fā)明，形成具有通過側壁的膜厚度調(diào)節(jié)的寬度的納米間隙是可能的。因此，不僅形成與常規(guī)的納米間隙相同寬度的納米間隙而且也形成甚至比常規(guī)的納米間隙更小寬度的納米間隙是可能的。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的一方面，制造納米間隙電極的方法可包括:在相對的電極形成部上膜形成化合物產(chǎn)生層，以及然后進行熱處理;使電極形成部與化合物產(chǎn)生層反應;通過反應形成兩個體積膨脹的相對的電極；以及通過體積膨脹使電極的側壁彼此更靠近，從而在電極之間形成納米間隙。
[0022]根據(jù)本公開的另一方面，制造納米間隙電極的方法包括:
[0023]形成依照位于襯底上的一對相對的電極形成部上的特定寬度選擇的掩模；
[0024]在電極形成部上形成化合物產(chǎn)生層的膜；
[0025]進行熱處理以使化合物產(chǎn)生層與電極形成部反應以形成彼此相對的兩個電極并且通過由反應引起的體積膨脹穿透掩模以下，從而通過體積膨脹使電極的側壁比掩模的寬度更靠近彼此；以及
[0026]去除掩模和殘留在之前在掩模下的區(qū)域中的電極形成部的任何未反應的部分，從而在電極之間形成納米間隙。
[0027]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，制造納米間隙電極的方法包括:
[0028]形成跨過襯底上的間隙彼此相對布置的兩個電極形成部；
[0029]在電極形成部上形成化合物產(chǎn)生層的膜；以及
[0030]進行熱處理以引起化合物產(chǎn)生層與電極形成部的反應以形成通過反應而體積膨脹并且彼此相對的兩個電極，從而通過體積膨脹使電極部件的側壁彼此更靠近以形成比間隙小的納米間隙。
[0031]在另一實施例中，電極之間的間隙可以制造得更小大電極的體積膨脹的量那么多。因此，提供具有比通過標準光刻處理形成的間隙甚至更小的納米間隙的納米間隙電極以及提供這種納米間隙電極的方法是可能的。
[0032]在某些實施例中，諸如本文描述的方法的用于形成納米間隙電極結構的方法可以用于形成可以比利用常規(guī)的半導體過程(比如e束、離子束銑或納米刻印光刻)形成的要小的納米溝道。
[0033]本公開的一方面提供了一種用于制造具有至少一個納米間隙的傳感器的方法，包括:(a)提供鄰近于襯底的第一電極形成部、鄰近于第一電極形成部的側壁和鄰近于側壁的第二電極形成部；(b)去除側壁，從而在第一電極形成部和第二電極形成部之間形成納米間隙；以及(C)將第一電極形成部和第二電極形成部制備用作電極，當目標物質(zhì)布置在電極之間時電極檢測跨過納米間隙的電流。在實施例中，電流是隧穿電流。
[0034]在實施例中，將第一電極形成部和第二電極形成部制備用作電極包括去除第一電極形成部和第二電極形成部的至少一部分以提供電極。在另一實施例中，第一電極形成部和/或第二電極形成部由金屬氮化物形成。在另一實施例中，第一電極形成部和/或第二電極形成部由氮化鈦形成。在另一實施例中，襯底包括鄰近于半導體層的半導體氧化物層。在另一實施例中，半導體是硅。
[0035]在實施例中，側壁具有小于或等于約2納米的寬度。在另一實施例中，寬度小于或等于約I納米。在另一實施例中，寬度大于約0.5納米。
[0036]在實施例中，方法還包括在(C)之前暴露第一電極形成部、側壁和第二電極形成部的表面。
[0037]在實施例中，方法還包括在(b)之前，去除側壁的一部分使得在第一電極形成部和第二電極形成部之間的側壁的橫截面具有四邊形形狀。
[0038]在實施例中，方法還包括形成與納米間隙相交的溝道。在另一實施例中，溝道是被覆蓋的溝道。
[0039]本公開的另一方面提供一種形成具有至少一個納米間隙的傳感器的方法，包括:(a)布置具有跨過鄰近于襯底的電極形成部上的間隙彼此相對的橫向壁的間隙形成掩模，其中間隙具有第一寬度；(b)在間隙形成掩模的橫向壁上形成側壁，其中電極形成部在側壁之間暴露；(c)去除在側壁之間暴露的電極形成部的一部分以在其間形成納米間隙，其中納米間隙具有小于第一寬度的第二寬度；(d)去除側壁以暴露由納米間隙分隔開的電極形成部的部分；以及(e)將電極形成部的部分制備用作電極，當目標物質(zhì)被布置在電極之間時，所述電極檢測跨過所述納米間隙的電流。在實施例中，電流是隧穿電流。
[0040]在實施例中，將電極形成部的部分制備用作電極包括去除電極形成部的部分以提供電極。在另一實施例中，襯底包括鄰近于半導體層的半導體氧化物層。在另一實施例中，半導體是娃。
[0041]在實施例中，第二寬度小于或等于約2納米。在另一實施例中，第二寬度小于或等于約I納米。在另一實施例中，第二寬度大于約0.5納米。
[0042]在實施例中，目標物質(zhì)是核酸分子，并且其中第二寬度小于核酸分子的直徑的寬度。在另一實施例中，間隙形成掩模和側壁由不同材料形成。
[0043]在實施例中，方法還包括形成與納米間隙相交的溝道。在另一實施例中，溝道是被覆蓋的溝道。
[0044]本公開的另一方面提供一種形成具有至少一個納米間隙的傳感器的方法，包括:(a)提供包括側壁的掩模，其中側壁鄰近于鄰近襯底的電極形成部布置；(b)去除側壁以在掩模中形成間隙，其中間隙暴露電極形成部的一部分；(C)去除電極形成部的一部分以形成納米間隙；(d)去除掩模以暴露由納米間隙分隔開的電極形成部的部分；以及(e)將電極形成部的部分制備用作電極，當目標物質(zhì)被布置在電極之間時，所述電極檢測跨過納米間隙的電流。在實施例中，電流是隧穿電流。在另一實施例中，目標物質(zhì)是核酸分子，且其中側壁具有小于核酸分子的直徑的寬度。
[0045]在實施例中，將電極形成部的部分制備用作電極包括去除電極形成部的所述部分以提供電極。
[0046]在實施例中，(a)包括(i)在鄰近于電極形成部布置的第一掩模的橫向壁上提供側壁，U )去除第一掩模，以及(iii)形成鄰近于側壁的第二掩模，其中掩模包括第二掩模的至少一部分。在另一實施例中，去除第一掩模暴露電極形成部。在另一實施例中，第二掩模覆蓋側壁。在另一實施例中，在去除第一掩模之后，側壁是具有小于或等于約10納米(nm)、5nm、4nm、3nm、2nm、lnm、0.9nm、0.8nm、0.7nm、0.6nm 或 0.5nm 的寬度的獨立側壁。
[0047]在實施例中，(a)包括(i)在鄰近于電極形成部布置的第一掩模的橫向壁上提供側壁，(?)形成鄰近于側壁的第二掩模，以及(m)蝕刻第二掩模，其中掩模包括第一掩模和第二掩模的至少一部分。在另一實施例中，形成鄰近于側壁的第二掩模包括覆蓋第一掩模和側壁的第二掩模。在另一實施例中，蝕刻第二掩模包括蝕刻第一掩模和/或側壁。
[0048]在實施例中，方法還包括形成與納米間隙相交的溝道。在另一實施例中，溝道是被覆蓋的溝道。
[0049]在實施例中，襯底包括鄰近于半導體層的半導體氧化物層。在另一實施例中，半導體是娃。
[0050]在實施例中，(a)還包括提供側壁形成層并且蝕刻側壁形成層以形成所述側壁。
[0051]在實施例中，納米間隙具有小于或等于約2納米的寬度。在另一實施例中，寬度小于或等于約I納米。在另一實施例中，寬度大于約0.5納米。
[0052]在實施例中，方法還包括形成與納米間隙相交的溝道。在另一實施例中，溝道是被覆蓋的溝道。
[0053]本公開的另一方面提供一種制造納米間隙電極傳感器的方法，包括:(a)在具有第二材料的電極形成部上提供具有第一材料的膜，其中電極形成部鄰近于襯底布置；(b)加熱膜以使第一材料和第二材料反應，從而形成體積膨脹的并且彼此相對的兩個電極部件，其中電極部件中的每一個具有側壁；(C)通過體積膨脹使得電極部件的側壁朝向彼此，從而在電極部件之間形成納米間隙；以及(d)將電極形成部制備用作電極，當目標物質(zhì)被布置在電極之間時，所述電極檢測跨過納米間隙的電流。在實施例中，電流是隧穿電流。
[0054]在實施例中，將電極形成部制備用作電極包括去除所述電極部件的至少一部分以提供電極。在另一實施例中，(a)包括(i)形成依照電極形成部的寬度選擇的掩模，(ii)在電極形成部上形成膜。在另一實施例中，在形成兩個電極部件時，兩個電極部件通過由反應產(chǎn)生的體積膨脹而穿透到掩模內(nèi)，從而使電極部件的側壁朝向彼此。在另一實施例中，方法還包括去除掩模和殘留在掩模的下部區(qū)域中的電極部件的一個或多個未反應的部分，從而在電極部件之間形成納米間隙。
[0055]在實施例中，方法還包括形成與納米間隙相交的溝道。在另一實施例中，溝道是被覆蓋的溝道。
[0056]本公開的另一方面提供一種制造具有至少一個納米間隙電極的傳感器的方法，包括:(a)提供鄰近于襯底的兩個電極形成部，其中電極形成部跨過具有第一寬度的間隙彼此相對布置；(b)在電極形成部上形成化合物產(chǎn)生層的膜；(C)進行熱處理以便于化合物產(chǎn)生層和電極形成部中的至少一個之間的反應以形成通過反應而體積膨脹的至少一個電極部件，從而通過體積膨脹使電極形成部的側壁朝向彼此以形成具有比第一寬度小的第二寬度的納米間隙；以及(d)將電極形成部制備用作電極，當目標物質(zhì)被布置在所述電極之間時，所述電極檢測跨過所述納米間隙的電流。在實施例中，電流是隧穿電流。
[0057]在實施例中，將電極形成部制備用作電極包括去除電極形成部的部分以提供電極。在另一實施例中，化合物產(chǎn)生層是硅化物產(chǎn)生層，其中(C)包括在反應期間電極形成部的硅化，并且其中電極形成部在硅化期間體積膨脹。
[0058]在實施例中，第二寬度小于或等于約2納米。在另一實施例中，第二寬度小于或等于約I納米。在另一實施例中，第二寬度大于約0.5納米。
[0059]在實施例中，目標物質(zhì)是核酸分子，并且其中第二寬度小于核酸分子的直徑。
[0060]在實施例中，(C)包括在化合物產(chǎn)生層和兩個電極形成部之間的反應。在另一實施例中，(C)包括在化合物產(chǎn)生層和僅一個電極形成部之間的反應。
[0061]在實施例中，方法還包括形成與納米間隙相交的溝道。在另一實施例中，溝道是被覆蓋的溝道。
[0062]本公開的另一方面提供一種納米間隙電極傳感器，包括跨過襯底上的納米間隙相對地布置的至少兩個電極部件，其中電極部件的相對的側壁逐漸地更靠近彼此并且側壁之間的寬度逐漸變窄，并且其中電極適合于在目標物質(zhì)被布置在電極之間時檢測跨過納米間隙的電流。在實施例中，電流是隧穿電流。
[0063]在實施例中，電極部件由金屬硅化物形成。在另一實施例中，納米間隙形成為尾部彎曲的形狀，其中電極部件的側壁之間的距離隨著納米間隙接近襯底而逐漸加寬。在另一實施例中，側壁包括與襯底接觸的向外膨脹的部分。
[0064]在實施例中，傳感器還包括與納米間隙相交并且與納米間隙流體連通的溝道。在另一實施例中，溝道是被覆蓋的溝道。
[0065]本公開的另外的方面和優(yōu)點將從以下詳細描述中容易被本領域技術人員明白，其中僅顯示和描述了本公開的示例性實施例。如將認識到的，本公開能夠是其它和不同的實施例，并且其若干細節(jié)能夠在各種明顯方面中修改，所有都不偏離本公開。因此，附圖和說明書被認為本質(zhì)上是示范性的且不是限制性的。
[0066]通過引用并入
[0067]本說明書中提到的所有公布、專利和專利申請在此通過引用并入，就好像每一個單獨的公布、專利或?qū)＠暾埍痪唧w地和單獨地表示為通過引用被并入的相同的程度。
【附圖說明】
[0068]本發(fā)明的新穎性特征特別是在所附權利要求中闡述。本發(fā)明的特征和優(yōu)點的更好理解將通過參考采用了本發(fā)明的原理的闡述示例性實施例和附圖(此處也為“附圖”和“圖”)的以下詳細描述來獲得，在附圖中:
[0069]圖1是示出通過制造方法制造的納米間隙電極的配置的示意圖；
[0070]圖2A-2F是用于制造圖1的納米間隙電極的方法的說明的示意圖；
[0071]圖3A-3F是用于制造圖1的納米間隙電極的方法的說明的示意圖；
[0072]圖4是示出通過制造方法制造的納米間隙電極的配置的示意圖；
[0073]圖5是用于制造圖4的納米