CN101668866A

CN101668866A - 用于利用纳米孔进行分子检测的设备和方法

Info

Publication number: CN101668866A
Application number: CN200880013336A
Authority: CN
Inventors: 马蒂亚斯·默茨; 尤里·V·波诺马廖夫; 吉尔贝托·库拉托拉
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2010-03-10
Anticipated expiration: 2028-04-15
Also published as: CN101668866B; EP2142666A1; TW200907068A; US20100066348A1; EP2142666B1; WO2008132643A1; US9034637B2

Abstract

一种检测器装置，包括：基底(50)；源极区(S)和漏极区(D)；和在源极区与漏极区之间的沟道区(65)。纳米孔(54)穿过沟道区并将处在该纳米孔相对两端上的液体室(56，58)相连接；在液体室、源极与漏极之间提供偏压，并感测源极区与漏极区之间的电荷流。该装置使用纳米孔用以限定接近传感器的待测样本(例如核苷酸)。传感器的尺寸可以做成近似于DNA链中相邻核苷酸的间距。通过这种方式，可以避免用于DNA测序的基于PCR的技术的缺点，并可以得到单个核苷酸的解。

Description

用于利用纳米孔进行分子检测的设备和方法

技术领域

本发明涉及用于检测分子(例如聚合物分子)的设备和方法。本发明具体涉及纳米孔分子检测器，例如用于检测DNA核苷酸单体的纳米孔分子检测器。

背景技术

DNA是由两条分子链组成的双螺旋结构。每条链形成为腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、胞嘧啶(C)和鸟嘌呤(G)四个核苷酸的一个链条。这些核苷酸的顺序或序列编码了针对任何活体内新陈代谢和繁殖的所有信息。人类的DNA中每条链由超过30亿个核苷酸构成。

了解物种的DNA序列，从基础科研角度看是有趣的，而且还提供了医药方面的许多可能性，比如疾病的早期检测以及新疫苗和药物的开发。对个体的DNA指纹检测已经成为犯罪学的标准技术。由于这么多的应用，因此DNA测序，即确定在一条DNA链中的核苷酸顺序，已经成为设备制造商和服务提供商的巨大市场。

链终止方法(由F.Sanger开发)是用于DNA测序的尖端技术。近来已经提出了两种新技术，“焦磷酸测序(pyrosequencing)”和“454测序”(缘于454公司)。虽然在样本制备和检测方面有显著差异(链终止使用用于DNA片段分离的电泳以及染料或放射性标签，而焦磷酸测序和454测序则基于复制过程中核苷酸结合到DNA链中时的化学发光酶反应)，但所有技术都依靠通过聚合酶链反应(PCR)来扩增DNA的初始量。并且，它们也在本身的测序过程中利用PCR。

因此，链终止、焦磷酸测序和454测序都受到PCR的局限性的影响(例如，引物退火到第二位点，用作引物的RNA被污染，与DNA的二级结构相关的读取问题)。由于这些以及其它制约，基于链终止方法的测序机器可以检测最多大约1000个核苷酸，而454测序仅仅可以检测100个左右的核苷酸。在基因组还不明确时，这对于整个基因组尤其对于高度重复的基因组有严重的缺点。PCR由于在特定温度下有循环步骤因此也是一种相对较慢的过程，并且需要大量(昂贵的)化学品。

在大学和工厂中进行了大量的替代测序技术的研究，致力于不依靠PCR。然而，迄今为止还没有一个研究得出良好的结果。

纳米孔测序是最受青睐的新技术之一，例如在US20050102721(A1)和US20030104428(A1)中有描述。

通过电泳，将一个DNA分子“拉着”穿过一个直径为几纳米数量级的细孔(在多数实验中使用固态孔，但已经研究出了脂质双层中的跨膜蛋白质。

图1示出传统纳米孔测序的基本操作原理。

膜两侧的偏压导致离子流过包含离子的两种溶液之间的纳米孔12。通过将DNA聚合物14拉过该纳米孔，通过的离子数量减小，这可以检测为电流中的变化。

理论上，DNA一次通过该孔一个核苷酸，每个核苷酸以特有的方式阻止电流通过该孔。电流读数的序列直接代表DNA序列。为了准确，孔的直径必须非常小(大约为核苷酸的尺寸)以便单个核苷酸可以阻止电流，并且足够细以确保信号由单个而不是多个核苷酸调制。

EP1486775(A1)公开了一种在孔的两端制造了两个电极的纳米孔装置。随着DNA链被逐渐拉过该孔，序列信息在这些电极之间的隧穿电流中传送。在图2中示出了这种装置。

类似地，EP1433744(A1)公开了一种埋置到基底中的纳米管，纳米管具有穿过管和基底的纳米孔。当施加电压时，通过将DNA链拉过孔并测量管的两部分之间的电流来对DNA测序。其结构在图3中示出。在该构造中，施加了两个电压——一个在纳米管的左右侧之间用于获得序列(例如穿过核苷酸的隧穿电流)，另一个平行于孔用以将DNA链拉过孔。

这些器件除了制造方面困难很大以外(例如，如何将孔刻蚀掩膜与图3中的纳米管对齐)，上述基于纳米孔的测序装置的最大缺点之一是过大的敏感区域。一条DNA链中的两个相邻基之间的间距仅为0.34nm。这表明用于检测单个核苷酸的探测器的尺寸必须是相同数量级或者甚至更小。然而，厚度小于1nm的纳米孔难以生产，并且如材料稳定性、绝缘性不足和过高的电容之类的许多其它问题制约了这些装置。

如图2所示，电极距离典型地比基间隔大得多，导致信号成为在孔中所有基上的平均。于是单个核苷酸检测是不可能的。在图3中示出了该装置的相同应用。虽然纳米管可以具有非常细的直径，但还没有达到相邻核苷酸的间距的这种程度。

采用基于纳米孔的尖端测序技术，必须对单个核苷酸重复大约50次，接着是至少相等长度序列的另一单个核苷酸，以产生可测量的结果。显然该解析太慢。

发明内容

根据本发明，提供了一种检测器装置，包括：

基底；

源极区和漏极区；

在源极区与漏极区之间的沟道区；

纳米孔，其穿过沟道区并将处在该纳米孔相对两端上的液体室相连接；

用于提供液体室之间的偏压的驱动装置；

用于提供源极与漏极之间的电压V_SD的驱动装置；和

电流传感器，用于感测在源极区与漏极区之间流过的电荷流。

本发明的装置利用纳米孔作为接近传感器的待测样本(例如DNA链的核苷酸)的限制。传感器的尺寸可以做成近似于相邻核苷酸的间距。以这种方式，避免了基于PCR技术的缺点，并可以得到单个核苷酸的解。该装置能够提供传感器与待测样本之间的直接接触，因此使得寄生电容和电阻对信号的干扰最小化。

在本发明的一个实现中，提供了纳米孔在对应于场效应晶体管(FET)的结构的栅极区中的结合。这种装置的导电反型层具有(亚)纳米范围内的厚度，这使其成为用以对DNA链中仅以0.34nm间隔开的核苷酸进行测序的理想传感器。

在另一实现中，提供了纳米孔在量子隧穿晶体管的点区域中的结合。

基底可以具有在纳米孔附近局部削薄的区域，以利于将样本拉过纳米孔。局部削薄的区域可以具有小于200nm的厚度，更优选的是小于100nm。

纳米孔优选地具有小于10nm的直径，更优选地小于5nm。

每个液体室优选地包含电解液，驱动装置将电解液拉过纳米孔。在一个示例中，在基底的一个沟道侧上的液体室的电解液与绝缘层接触。在这种情况下，该装置具有晶体管类型的构造，但没有栅极触点。

还可以在沟道上方提供控制电极，使纳米孔延伸通过控制电极，在基底的一个沟道侧上的液体室的电解液与在控制电极上方的另一绝缘层接触。这控制电极作为晶体管栅极来工作，并允许独立于施加到电解液的电势来定义装置的工作点。

第二个驱动装置可以提供来相对于施加到液体室的电压定义源极和/或漏极电压。这使得可以控制装置的工作点并且控制通过纳米孔的流。

在一个示例中，沟道区环绕纳米孔。因此源-漏极电流可以流过纳米孔，并且在纳米孔中的样本用来调制该电流。

作为替换，纳米孔可以完全延伸穿过沟道区。在这种情况下，所述装置用作通过了纳米孔中样本的量子隧穿装置。

该装置还可以包括用于施加由激励电流控制的跨越了纳米孔的变化电磁场的装置。这提供了可以由纳米孔中的样本进行调制的另一机制。

所述装置可以使用硅的基底、绝缘体硅片基底(在埋置的氧化层上的硅层)、硅/锗、GaAs/AlGaAs或其它异质结构或者其中沟道被定义为在叠层中央的部分耗尽n(或p)区的pnp(或npn)叠层来制造。

本发明还提供一种制造检测器装置的方法，包括：

在基底上形成源极区和漏极区，使沟道区位于源极区与漏极区之间；

定义穿过沟道区的纳米孔，并且该纳米孔使其本身的相对两端相连接；

在纳米孔的相对两端上形成液体室，并向液体室填充电解液；

将驱动装置连接到液体室；

将驱动装置连接到源极区和漏极区；和

提供电流传感器，用以感测在源极区与漏极区之间流过的电荷流。

本发明还提供一种利用一种装置检测DNA核苷酸单体的方法，所述装置包括基底、源极区和漏极区、在源极区与漏极区之间的沟道区、以及穿过沟道区的纳米孔，

其中所述方法包括在纳米孔相对两端上的液体室之间提供偏压，从而将待测样本拉过纳米孔；

在源极区与漏极区之间提供偏压；

感测在源极区与漏极区之间流过的电荷流；和

根据感测的电荷流确定单体的类型。

电荷流可以包括调制的场效应晶体管源-漏极电流和/或隧穿电流。

更一般地说，本发明提供了一种用于获得生物聚合物的序列信息的方法，该方法通过移动生物聚合物垂直通过厚度小于1nm的薄导电层，并且测量由以特定方式接近薄导电层的单个核苷酸所调制的电流，以及从电流测量值得出序列信息来实现。

薄导电层可以以导电基底中的反型层、以诸如Se/Ge或GaAs/AlGaAs之类的半导体异质结构的二维电子气或者以反向偏置pn或np结以部分耗尽npn或pnp结构中的p或n型导电层来形成。

附图说明

现在将参照附图详细描述本发明，其中：

图1简要示出已知的纳米孔检测器；

图2示出已知类型的纳米孔检测器的构造；

图3示出另一已知类型的纳米孔检测器的构造；

图4示出反型沟道的电荷密度曲线；

图5a到图5f示出本发明装置的第一示例；

图6a到图6d示出装置和样本中的能量示意图的示例；

图7a到图7d示出本发明的另外实施例；

图8a和图8b示出可以如何形成纳米孔；

图9a和图9b示出本发明装置的第四示例；和

图10a到图10g示出描述纳米孔装置的制造的示例工艺流程。

具体实施方式

本发明将纳米孔结合到对应于晶体管(例如场效应晶体管或量子势阱晶体管器件)栅极的结构中。

FET晶体管的导电反型层(conducting inversion layer)具有在(亚)纳米范围内的厚度，这使其成为用于对在DNA链中仅以0.34nm间隔开的核苷酸进行测序的理想传感器。图4示出反型沟道的电荷密度曲线。在图4中，d代表离硅/氧化物界面的nm级的距离。在最大值一半处的峰的宽度明显地在1nm以下。

图5a示出本发明的用于DNA测序的纳米孔FET的第一示例。图5b示出顶视图，其中示出了源极(S)、漏极(D)和栅极(G)以及纳米孔54的位置。

如图5a所示，本发明的装置对应于一个场效应晶体管，其具有带有源极区S和漏极区D的基底50以及上覆的栅极氧化层52。在以下的描述中，该结构称为晶体管，因为它具有多个与晶体管相同的特征，但具有不同的栅极设计，因为(在一些示例中)没有形成图案的栅极电极。应当据此理解术语“晶体管”的使用。不过，可以通过对传统晶体管制造工艺的微小修改或额外步骤来制造该结构。

晶体管的沟道区在源极和漏极之间延伸，并提供了纳米孔54。纳米孔将容纳了电解液的上部室56和下部室58相联接。纳米孔具有稍大于核苷酸尺寸(即小于5nm)的直径。

晶体管的栅极电压由上部室的电解液电压而不是形成图案的栅极电极来提供。除此之外，该晶体管的结构是传统的，并且可以使用许多不同的FET设计。

通过与电极62相连的电压源60在液体室之间提供偏压，电流传感器64可以感测晶体管的源-漏极电流。另一电压源65(V_SD)还提供源漏极电压。可以使用再一电压源(未示出)来控制大电压(bulkvoltage)。

通过在该腔室的上部室和下部室之间施加电压，将DNA移动通过纳米孔54。该电压也用作栅极电压，并设置晶体管的工作点。穿过纳米孔的核苷酸在非常接近沟道时对源-漏极电流进行调制。

采用这样的设计，解析速度和灵敏度可以很高从而能够检测单个核苷酸。

由于检测器(在垂直方向上的)敏感区域由反型层的厚度限定，因此该纳米孔可以比上文描述的传统纳米孔装置中的更长。该测序基于源-漏极电流的调制，而不通过测量穿过孔的电流(虽然两种电流同时测量可以用于电压控制和反馈)。

原则上，以下两种效应有助于源-漏极电流的调制：

-带有不同电荷的核苷酸可以调制栅极电压。已经对DNA核苷酸的电子亲合力做出了许多实验和理论研究。电子亲合力是在气相下将一个电子加到一个气相的中性原子以形成离子所需的能量的量。这个概念也应用到分子上，给出关于分子在溶液中的行为的信息。虽然报导了从理论模拟得出的不同值的一个大范围，但在多数研究中，它们遵循相同的趋势：A＜G＜＜C＜T，即腺嘌呤具有最低电子亲合力，胸腺嘧啶具有最高的电子亲合力。

具有低电子亲合力值的原子/分子倾向于在溶液中带负电，而具有高电子亲合力值的原子/分子则倾向于在溶液中带正电(例如Na-53kJ/mol(在溶液中带正电)，Cl-349kJ/mol(在溶液中带负电))。基于不同的电子亲合力，可以假设核苷酸在水溶液中形成带不同电荷的离子。在DNA链中的这些不同电荷在靠近反型层时会影响导电沟道，以此调制源-漏极电流，从而得到关于核苷酸序列的信息。测量单个电荷是相当困难的，尤其在室温下，但近来的出版物示出这是可能的，例如当晶体管在阈值以下状态中工作的情况下。

-穿过核苷酸的隧穿效应。由于核苷酸具有不同的电子亲合力和形态等，从源极穿过核苷酸到漏极的隧穿电流对于每个核苷酸而言会是特定的，因此揭示了DNA链的序列。尤其在几乎整个沟道都被孔阻隔的沟道非常窄的装置中，隧穿效应发挥重要作用。

如果沟道足够窄从而完全被孔阻隔，那么该装置的工作类似于单电子晶体管，其源极和漏极为触点，孔中的薄氧化层为阻挡层，各个核苷酸代表被加电荷/去电荷的“岛”。

上述讨论涉及单个DNA链。在双链DNA中，第一链的每个核苷酸连接到第二链的与其互补的核苷酸(即，A连接到T，G连接到C)，因此由正交的栅极电流(沟道调制或隧穿效应)测量的信号产生了一对核苷酸而非单个核苷酸的组合性质。当对双链DNA测序时，可能仅对两对核苷酸进行区分而不是单个的核苷酸。

本发明的系统相对于前述方法而言关键的区别特征是：

-纳米孔位于FET的沟道中或单电子晶体管的岛中。

-对源-漏极电流进行直接调制，没有额外的导体和额外的寄生电容。

-几个因素影响源-漏极电流：由带电核苷酸进行沟道调制，穿过核苷酸的隧穿效应，核苷酸作为单电子晶体管的岛或者作为其一部分。

图5c示出本发明第二实施例，其中提供了额外的控制栅极70。

该构造提供了独立于施加在上部室与下部室之间的电压而对栅极电压进行的控制。为了避免由于控制栅极与上部电解液之间的电压过大而发生的电化学反应，以电介质72将控制栅极与电解液隔离，这通过不完全地去除控制栅极顶部的钝化或金属间电介质层来实现。作为替换，可以沉积(例如PVD、CVD)绝缘电介质或通过控制栅极材料的电化学氧化来生长绝缘电介质。结合了无栅极电介质的金属控制栅极的无氧化物结构(类似于结型FET(JFET))也是可以的。原则上，可以省略控制栅极顶部的绝缘层。理论上，图5a中的栅极电介质52的沉积/生长也不是必需的，栅极可以直接接触电解液(自动地形成一个薄化学氧化层)。

图5d示出类似装置的顶视图，但其具有两个分开的控制栅极80(CG)。在该构造中，栅极的实体部分与电解液(例如水)接触，而其外边缘被两个控制栅极覆盖。根据施加在电解液与控制栅极之间的电压，实际沟道的宽度可以大大地小于由源-漏极触点的宽度定义的标称沟道宽度(抑制控制栅极所覆盖的区域的下方和附近的反型沟道)。这使得可以使用当前技术做出窄得多的沟道，并且使孔区域附近的电流集中。这增大了对总电流的相对影响。在最极端的情况中，剩余沟道与孔一样窄，即电流必须完全流过(隧穿)核苷酸。这使得该装置类似于单电子晶体管，其中核苷酸用作岛，孔壁上的氧化层作为阻挡层。

可以由布置在上方(插入两个控制栅极之间)并与电解液和相邻控制栅极绝缘的附加(金属)栅极再对栅极区进行控制。这种构造能够独立于电解电压(未示出)来最大地控制沟道宽度和反型层。

图5e示出这种单电子纳米孔FET的另一实施例，其具有岛90和窄环绕“栅极”区92。

孔被刻蚀成恰好穿过形成单电子晶体管的岛90的中心。单电子晶体管的将岛与沟道隔离的阻挡层可以通过对岛和环绕“栅极”区92进行不同的掺杂来形成，这使得岛区域被具有反型层的带(“主”栅极区)环绕时能够耗尽，反之亦然。作为替换，可以通过孔中的氧化层简单地形成阻挡层。而且，该装置可以实现为具有控制栅极或没有控制栅极(在该构造中，控制栅极可以在“栅极”区92的顶部，并且岛与电解液接触)。

图5f示出利用穿过处于源极与漏极之间的由极其狭窄的沟道实现的结的隧穿效应的又一实施例。

在该示例中，孔完全阻断导电沟道。

以下将说明这种隧穿装置的工作原理。

电压V1和V2一起定义了栅极电压，栅极电压定义了纳米孔中的DNA核苷酸的分别相对于源极区和漏极区中的费米能级E_S和E_D的离散能级(由E_G表示)，见图6a的能量图。通过改变V1和/或V2可以相对于E_S和E_D移动E_G。

如上所述，在孔中处于导电沟道高度的单个核苷酸用作单电子晶体管的“岛”。如果准确调准了源极、核苷酸和漏极的能量状态，即E_S≥E_G(即自由态之一)≥E_D，则发生共振隧穿，从而电子能够从源极隧穿阻挡层(例如在孔壁上的薄氧化层)到核苷酸并从核苷酸到漏极。

图6b是示出导电沟道中的离散能级的能量图。

该布置具有至少3个电压源：V1、V2和V_SD，以及另一个电压源可以用来控制大电压(未示出)。

核苷酸的不同能态(由图6a中在E_G处的不同直线表示)可有助于共振隧穿，其产生在电流与例如V2(也取决于V_SD)的值之间的特定关系。

这个测量原理本质上是隧穿光谱学的。由于四个核苷酸具有不同的能态，因此电流-电压关系对于各个核苷酸都是特定的。随着DNA链被拉过孔，根据穿过导电沟道的各个核苷酸来调制电流-电压特性，产生特定的序列信息。

上面的不同例子表明可以使用在固定电压(源极，漏极和栅极)处晶体管电流的测量值或者可以使用隧穿光谱学。通过测量不同“栅极”电压(例如相对于装置中的电压调制浴电压V2，即在能量图中相对于E_S和E_D移动E_G)处的隧穿电流，可以得到更多关于与传感器接触的核苷酸的数据，使得可以更容易和可靠地区分这四个核苷酸。

覆盖了薄电介质层、在两端使核苷酸与反型层接触的孔的这种构造实质上类似于量子点或单电子晶体管的岛。它是经由隧道势垒(这里是孔的氧化内层)耦接到宏观电极(这里是与源极和漏极接触的反型层)的电子(这里是核苷酸)的封闭系统，其中电子跨越所述电极可以隧穿进出受限空间。两个过程影响隧穿电流：向该点添加电子，以及将该点处的电子激发到更高能态。前一过程由该点的电容和其库伦电量(Coulomb charging)决定。如果将电子加到该点，其能量大致增加e²/C(C是该点的电容)，如果该点的能量升高到电极的电势之上，则导致电流阻断。为了使库伦阻断在室温下(热能k_BT＝25mV)可见，点电容必须足够小(e²/C＞k_BT)，这是针对所提出的系统的情况。

第二个过程涉及激发在该系统中的电子，产生对能态特定因而对核苷酸特定的激发光谱(核苷酸能态的间隔通常大于热能，因此在室温下应当是可以区分的)。在图6a的能量图中，激发意味着将电子从一个能级(直线)激发到更高能级(上面的直线)。

量子点间的传送还可以受到外部磁场的影响。观察到基于电子的增加和激发的各种效应。期望这些效应对于不同核苷酸是不同的，从而提供了得到序列信息的其它方式。在这种情况下，将纳米孔放置在(随时间变化的)磁场中，例如放置在连接到AC电流源的两个亥姆霍兹线圈之间。测量对于该磁场和所施加电压的隧穿电流。

上面的检测原理和装置中的关键元件是薄导电层，该薄导电层的厚度处于DNA链中的两个相邻核苷酸之间的间隔范围内或小于该间隔。就目前而言，晶体管沟道或隧穿装置的“电极”由半导体基底中的反型层形成。作为替换，可以使用以异质结构形成的二维电子气(2DEG)例如Si/Ge或GaAs/AlGaAs作为导电传感器层。与反型层相比的优点在于，2DEG已经存在而无需施加栅极电压，因此能够更自由地设置V1和V2。由于2DEG处在两种材料的界面上从而远离电介质绝缘体，因此其噪声小得多，这是因为来自半导体/电介质界面或电介质中其它阱处的界面态的电荷的捕获/释放的影响较小。

此外，对界面区域的限制导致沟道中的离散能级(见图6b)，其可以使装置灵敏度增加。还可以通过其中Si主要材料足够薄(例如小于20nm)的情况下的Si中反型层来得到离散能级，因为这提供了z方向上的限制，将能带分成离散态(图6b中的直线)。可以通过使具有SOI(silicon-on-insulator绝缘体硅片)晶片的顶部硅层变薄来得到这样的层。

还可以通过从顶部和底部将高掺杂层耗尽来形成薄导电层，例如两个pn结都被反向偏置的一个pnp结构，从而n导电层除了在其中间剩余一个薄的沟道以外几乎完全耗尽。

图7示出上面已经描述的本发明的各种实施例。

图7a示出使用SOI晶片制造的薄Si层。该薄硅层在埋置氧化层上以90示出。如果该层非常薄，源极和漏极沟道中的能态由于垂直限制而成为离散的。

在图7b中，示出了Si/Ge异质结构，其中导电层(沟道，2DEG)形成在两种材料之间的界面上。该结构还给出了在源极区和漏极区中的离散能级。

在图7c中，在pnp叠层的部分耗尽的n-Si层中形成沟道。两个pn结(形成在中间的底部p层和n层之间以及在中间的顶部p层和n层之间)都被反向偏置，耗尽了大多数n层，仅留下中间的薄导电沟道。

图7d示出用以对图6a中所示类型的装置感应出磁场的线圈92。随后相对于激发电流的相位和幅度测量隧穿电流(可选地，可以使用单独的装置来将激发电流Ierr、施加的电压和所测量的电流I之间的相位进行相关；未示出)。

外部电磁场对核苷酸(以及传感器沟道)的电子态进行调制，这影响了源漏极电流。由于磁场对不同核苷酸的能态会有不同的作用，因此这提供了读取序列的替代/附加方法。

上述装置的大多数实现/制造步骤是直线前进的。除了最后的几个步骤，它们主要与尖端COMS工艺(例如C065)相同。

在图5a所示的最基本装置中，这些附加的处理步骤用来提供厚度减小的有孔穿过的叠层和纳米孔本身的形成。下面参照图10(没有按比例示出)描述这些步骤。注意，仅示出了基本步骤，为简明起见省略了如抗蚀剂沉积光刻等标准工序。

起始点是一个装置/晶片，其经历了完全“传统”的工艺流程，包括钝化层沉积和焊盘图案形成；这样的装置在图10a中示出为具有所有标明了的相关部件(例如内部金属电介质(IMD)等几个部件可以由不同材料的几个层构成；未详细示出)。晶片的背面在沟道区65的下面被局部削薄/刻蚀，从而在栅极氧化层之下仅保留Si基底薄层(例如小于100nm的厚度)。叠层越薄，即孔越短，越容易将DNA拉过去。得到的锥体例如图5a所示。如果在绝缘体硅晶片上处理该装置，这个步骤能够容易地完成。在该情况下，埋置的氧化层可以用作在大晶片刻蚀过程中的刻蚀停止器，见图10b。

随后从顶端(通过刻蚀)局部去除栅极区中的钝化层(图10c)，接着刻蚀掉栅极叠层(图10d)。如果需要，可以去除栅极氧化层，并沉积另一栅极电介质。最后的步骤包括例如根据图10e到图10g所示的方案来刻蚀孔，并附接电解液室。

刻蚀出直径小于10nm并且深宽比远大于10的小孔在这些装置的制造中是主要的挑战。虽然这种小结构可以以电子束光刻做出，但以标准COMS工艺技术难以实现。

图8和图10e到图10g示出如何以传统光刻得到小孔。首先，向硬掩膜100(例如氧化层或氮化层)刻蚀一个小开口/凹穴(例如正方形的或者圆形的)。在图10d中，该开口由刻蚀栅极叠层之后剩余的洞限定。利用尖端光刻技术，装置外形尺寸对于这样的洞可以达到50nm的范围。该洞的孔径可以进一步被间隔物102减小，该间隔物102是MOS晶体管生产中的标准工艺模块。该工艺涉及以下步骤：在整个洞以及周围区域中均匀沉积例如氧化层或氮化层(图10e)，接着进行各向异性刻蚀，直到在底部打开一个小孔径(图10f)。该孔径用作用于后续的刻蚀直径为10nm以下的孔的掩膜(图10f)。在材料选择上，必须注意在掩膜和要被刻蚀的材料之间提供足够的刻蚀灵敏度。

作为替换，可以利用聚焦的离子束“钻出”该孔或者利用传统纳米孔制造中已知的方法(例如离子/电子束雕刻)来得到孔。如果使用了绝缘体晶片，则孔所穿过的叠层的最终厚度(即孔的长度)由埋置的氧化层的厚度(减去整个基底刻蚀期间去除的氧化层)、绝缘体硅片层的厚度和栅极氧化层厚度给出。整个厚度优选地小于200nm。

孔中的半成品硅表面在电解液的含水环境中迅速氧化，沿着孔壁形成了薄“栅极”氧化层。这在图5a中示出，参考数字52表示不同的氧化层。

如果需要，可以通过局部氧化，例如通过以激光束加热或通过强氧化溶液来增加这些绝缘层的厚度。此外，可以在孔的顶部和底部的任一端上沉积附加电介质(氧化层、氮化层)。还可以使用电化学处理或ALD(原子层沉积)。

如图5c所示的具有控制栅极的装置的处理非常相似。代替上述刻蚀掉栅极叠层的步骤，贯穿栅极及其下的沟道刻蚀出孔54。(在这种情况下，在栅极上面的IMD中处理对用于孔的刻蚀掩膜进行限定的凹穴和间隔物。)然而孔的深宽比(长度与直径之比)较大(因为栅极增加了额外的层)，因此更难以刻蚀。

可以通过在栅极叠层中刻蚀出将两个部分完全分开的狭缝，之后沉积薄绝缘层并刻蚀孔来处理具有两个控制栅极的装置(图5d)。可以在例如利用电子束光刻和剥离对栅极叠层刻蚀出狭缝之后，沉积用于(独立于电解电压)控制沟道的额外金属触点(后续步骤与前述相同)。

以相同方式处理图7a所示装置，不同之处仅在于使用SOI基底。可选地，可以在传统CMOS工艺的开始，将SOI(绝缘体硅片)的顶部Si层削薄到例如20nm以下。这在源极区和漏极区中产生了离散能级，如图6b所示。类似地，通过首先沉积异质结构(例如在大Si或SOI基底上沉积Ge，或在合适的基底上沉积GaAs和AlGaAs)并且类似于传统CMOS处工艺处理晶体管，从而制造具有异质结构的装置。用于基底削薄和孔刻蚀的最后的步骤与上述相同。对图7c所示装置施加相同处理，图7c中将高度n掺杂的Si层沉积到p基底上(例如通过外延生长)，接着在其顶部沉积另一p掺杂层。以n层建立源极和漏极触点，p层进行接触来反向偏置pn结，并得到窄沟道。

所需的详细处理对于本领域技术人员将是显而易见的，并且已经给出了主要处理的描述。一些实施例可以不需要标准CMOS流程的所有步骤，例如，具有异质结构的装置不需要扩展注入(extensionimplant)。有许多对本领域技术人员而言是常规的其它方式来生产这些装置。

上面的描述限制于MOSFET的特征和工艺。然而，带有其大量的表面和界面电荷和阱的这些装置的电介质层导致相当大的噪声，这会妨碍检测来自核苷酸的微弱信号。为了使该噪声最小，可以使用JFET。于是栅极直接与金属接触，从而避免任何氧化物及其特定的问题。还可以通过电解液或隔离(栅极)触点来接触和控制该金属。

图9示出替代的测序装置，其特征在于嵌入到如FinFET之类结构中的水平纳米孔。该孔通过对被外延生长的Si环绕的小SiGe条进行选择性刻蚀来形成。

操作原理本质上与上面的装置相同。与传统FinFET不同的是，源极在底部，漏极在顶部，其中流过垂直的电流。如图5a所示装置，通过电解液中的电压来控制“栅极电压”，从而在该结构的一侧产生反型沟道104。必须设置电压来使得仅在孔的一端形成沟道。这使得可以区分任一端，使得检测到进入和离开孔的单个核苷酸成为可能。穿过沟道的DNA核苷酸调制源-漏极电流，并使得可以检测到DNA序列。

图9的装置的制造原则上也是直线前进的。首先，在裸Si晶片上沉积牺牲材料例如SiGe(掺杂以形成源极)，并刻蚀出一个长条使其在基底上具有如图9a所示的小横截面106，或者刻蚀一个直径在10nm以下的长圆柱体。接下来沉积沟道材料(慢掺杂Si)(如图9a的108所示，例如通过外延生长并进行平坦化(可选))，随后外延生长漏极区。

然后从该叠层刻蚀出鳍状结构，去除牺牲材料(可以以对Si的高选择性来刻蚀SiGe)，在装置中心留下小孔。该装置的总长度在100nm范围内或以下。通过薄氧化层再次钝化Si表面。

如图9b所示，利用一个电绝缘的并且将电解液隔开成左右分隔部分的触点从顶部接触漏极。

还可以将整个装置集成到用于传送DNA的微流体系统中。

在所述左右分隔部分之间施加一个电压，该电压将DNA拉过孔并设置栅极电压。于是源-漏极电流揭示了序列信息。

本发明尤其关注于DNA以及其它(生物)聚合物或蛋白质的测序。虽然上面已经描述了仅仅单个孔，但CMOS工艺技术可以制造能够以高速大规模同时测序的纳米孔FET的大阵列。而且，可以在同一芯片/晶片上与传感器装置相邻地实现如放大器、滤波器和ADC(模拟到数字转换器)之类的信号调理电路。这避免了例如连接到外部放大器的长连接线中的信号丢失，并且对于以足够的信噪比检测小信号是重要的。这种电路对于检测单个核苷酸以及DNA测序是至关重要的。

为了得到良好的I-V_SD谱图，每个核苷酸应当保持与“传感器”接触以使得信号平均从而减小噪声，或者在隧道谱(tunnelspectroscopy)的情况下，使得要测量的电流谱在一定的电压(E_G)范围内。可以通过调制V₁(例如使用方波或锯齿电压)并将其叠加到DC电压上来增加/控制在传感器处的每个核苷酸的“驻留”时间。反馈环路可以用来根据电流测量值控制通过孔的核苷酸的移动。

本发明的装置可以具有作为将DNA和电解液传送到检测器装置的微流体系统的一部分的液体室。还可以在同一芯片上提供信号调理电路，比如放大器、滤波器和ADC(模拟到数字转换器)。这些信号调理电路可以用来提高所检测的信号的信噪比。一个装置可以在单个芯片/晶片上结合多个这样的单独的检测器装置。

本发明还提供了用于产生针对纳米孔的刻蚀掩膜的方法，包括将掩膜层各向同性地沉积到较大的凹穴中，随后各向异性地刻蚀该层，直到在中心形成小开口。

各种修改对于本领域技术人员是显而易见的。

Claims

1.一种检测器装置，包括：

基底(50)；

源极区(S)和漏极区(D)；

在源极区与漏极区之间的沟道区(65)；

纳米孔(54)，其穿过沟道区(65)并将处在该纳米孔相对两端上的液体室(56，58)相连接；

用于提供液体室之间的偏压的驱动装置(60)；

用于提供源极与漏极之间的电压V_SD的驱动装置；和

电流传感器(64)，用于感测在源极区与漏极区之间流过的电荷流。

2.如权利要求1所述的装置，其中纳米孔穿过基底(50)。

3.如权利要求2所述的装置，还包括覆盖沟道区的绝缘层(52)，使得纳米孔穿过该绝缘层(52)。

4.如权利要求2或3所述的装置，其中基底(50)具有邻近纳米孔的局部削薄的区域。

5.如权利要求4所述的装置，其中局部削薄的区域具有小于200nm的厚度。

6.如权利要求5所述的装置，其中局部削薄的区域具有小于100nm的厚度。

7.如前述任一权利要求所述的装置，其中纳米孔(54)具有小于10nm的直径。

8.如权利要求7所述的装置，其中纳米孔(54)具有小于5nm的直径。

9.如前述任一权利要求所述的装置，其中每个液体室(56，58)容纳电解液。

10.如权利要求9所述的装置，其中在沟道一端的液体室(56)的电解液与绝缘层(52)接触。

11.如权利要求8所述的装置，还包括在沟道上方的控制电极(70)，在沟道与控制电极之间可选地具有栅极电介质，使纳米孔延伸穿过控制电极(70)，并且在基底的一个沟道侧上的一个液体室(56)的电解液与在控制电极(70)上方的另一绝缘层(72)相接触。

12.如权利要求11所述的装置，包括在沟道的相对侧上的仅部分覆盖该沟道的两个分开的控制栅极，其中纳米孔延伸穿过两个控制栅极之间的栅极区，并且在基底的一个沟道侧上的液体室(56)的电解液与在两个控制电极上方的另一绝缘层(72)相接触，使得沟道区在电解液与另一绝缘层(72)之间。

13.如权利要求12所述的装置，在处在沟道区两侧的两个控制电极之间的栅极区上方具有第三控制电极，第三控制电极与其它两个控制电极绝缘，纳米孔延伸穿过第三控制电极，并且在基底的沟道侧上的液体室(56)的电解液与在第三控制电极上方的另一绝缘层相接触。

14.如前述任一权利要求所述的装置，还包括第二驱动装置(61)，用于相对于施加到液体室的电压来限定源极和/或漏极电压。

15.如前述任一权利要求所述的装置，其中沟道区(65)环绕纳米孔(54)。

16.如权利要求1至14中任一个所述的装置，其中纳米孔(54)完全延伸穿过沟道区(65)。

17.如前述任一权利要求所述的装置，还包括装置(92)，用于施加由激励电流控制的跨越纳米孔的变化电磁场。

18.如前述任一权利要求所述的装置，包括硅基底。

19.如权利要求1至17中任一个所述的装置，包括绝缘体硅片基底，该绝缘体硅片基底包括在埋置氧化层上的硅层。

20.如权利要求1至17中任一个所述的装置，包括硅/锗异质结构。

21.如权利要求1至17中任一个所述的装置，包括GaAs/AlGaAs异质结构。

22.如权利要求1至17中任一个所述的装置，包括pnp或npn结构，其中通过分别反向偏置pn结或np结二者来定义导电传感器沟道，从而部分耗尽中心n或p区。

23.如权利要求1所述的装置，其中纳米孔平行于基底延伸穿过FinFET结构。

24.一种制造检测器装置的方法，包括：

在基底(50)上形成源极区(S)和漏极区(D)，在源极区与漏极区之间具有沟道区(65)；

定义穿过沟道区(65)的纳米孔(54)，并且该纳米孔使其本身的相对两端相连接；

将驱动装置(60)连接到液体室；

将驱动装置连接到源极区和漏极区；和

提供电流传感器(64)，用以感测在源极区与漏极区之间流过的电荷流。

25.如权利要求24所述的方法，还包括形成覆盖沟道区的绝缘层(52)，其中定义纳米孔穿过绝缘层(52)。

26.如权利要求24所述的方法，还包括定义纳米孔穿过基底(50)。

27.一种用于利用一种装置来检测DNA核苷酸单体的方法，所述装置包括基底(50)、源极区(S)和漏极区(D)、在源极区与漏极区之间的沟道区(65)、以及穿过沟道区(65)的纳米孔，

其中所述方法包括在纳米孔的相对两端上的液体室之间提供偏压，从而将待测样本拉过纳米孔；

在源极区与漏极区之间提供偏压；

感测在源极区与漏极区之间流过的电荷流；和

根据感测的电荷流确定单体的类型。

28.如权利要求27所述的方法，其中电荷流包括调制的场效应晶体管源-漏极电流。

29.如权利要求27所述的方法，其中电荷流包括隧穿电流。

30.一种用于获得生物聚合物的序列信息的方法，该方法通过移动生物聚合物垂直通过厚度小于1nm的薄导电层，并且测量由以特定方式接近薄导电层的单个核苷酸所调制的电流，以及从电流测量值得出序列信息来实现。

31.如权利要求30所述的方法，其中以导电基底中的反型层来形成薄导电层。

32.如权利要求30所述的方法，其中以诸如Se/Ge或GaAs/AlGaAs之类的半导体异质结构的二维电子气来形成薄导电层。

33.如权利要求30所述的方法，其中通过反向偏置pn或np结以部分耗尽npn或pnp结构中的p或n型导电层来形成薄导电层。