CN102487118B - 一种磁性生物传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种磁性生物传感器及其制备方法，该方法在一个衬底上生成一个沟槽层，然后在沟槽层中生成对应于磁性生物传感器的沟槽。磁性生物传感器至少一部分在沟槽中生成。
Description
技术领域
本发明申请一般性地涉及磁性生物传感器及磁性生物传感器阵列，具体说，涉及磁性生物传感器及磁性生物传感器阵列的制备方法。
背景技术
磁性生物传感器利用纳米磁性颗粒标识生物分子和测量纳米磁性颗粒微磁场的方式探测生物样品入生物分子等。当前的磁性生物传感器大多基于微磁场测量技术，往往采用灵敏的巨磁阻结构，比如自旋阀(spin valve，SV)、磁隧穿(magnetic tunnel junction，MTJ)和其他一些磁性多层膜堆叠结构。图1示意性地展示了一个磁性生物传感器的结构。如图1所示，磁性生物传感器100包含衬底116和传感层118。衬底中包含电路，可以用来控制传感器100的操作。传感层118包含生物薄膜102，自由层106，隧穿层108，钉扎层110、反铁磁层114以及上下电极104和112。多数情况下，自由层106是复合层包含多个功能薄膜，一个实施范例展示在图2中。参看图2，自由层106包含CoFe层，Ta层和Ru层。
现在的磁性生物传感器往往包含当前半导体制备中的常规材料比如Ti，TiN，TiW，TiWN，W，Ta，Cu和CoSiN等；同时也包含一些非常规材料比如NiFe，CuN，NiFeCr，Pt，GeTeSb和BiTe等材料。这些非常规材料很难被集成到当前常规的集成电路制备工艺中。一方面因为当前半导体工艺中常用的刻蚀方法很难刻蚀这些非常规材料，尤其是在形成小线宽(比如45纳米线宽)结构的情况下。另一方面，磁性生物传感器的功能薄膜往往很薄，比如一般在几个纳米厚度范围。在利用常规的半导体工艺处理这些非常规材料薄膜时，这些非常规薄膜中的材料在制备过程中可能互相扩散导致这些薄膜性能的改变。除了材料扩散，刻蚀过程也常常引起非常规材料薄膜性能的改变。这是因为，现在的半导体工艺中的加工过程往往采用“高能“加工手段比如离子束刻蚀(Ion Beam Etching，IBE)和粒子束反应刻蚀(Reactive Ion Etching，RIE)等。在这些高能加工过程中，被刻蚀出来的分子粒子等在被刻蚀的薄膜层边界上往往形成重新沉淀(re-deposition)。重新沉淀导致在薄膜层的边界上形成导电通道，形成短路，最终导致制备失败。
本发明提供了一种制备磁性生物传感器的方法。该方法使得磁性传感器的制备与半导体制备工艺匹配。本方法实际上可以更广泛地应用到其他包含非常规材料或者其他包含磁性材料器件的制备。
发明内容
在第一个实施例中公开了一个可用于制备磁性生物传感器的方法，该方法包括以下步骤：提供一个衬底，该衬底包含电路；和在该衬底上制备传感层，该传感层包含第一和第二部分，第一和第二部分各包含至少一个薄膜层，该步骤包括：在该衬底上制备传感层的第一部分；和在传感层的第一部分上制备第二部分，该步骤包括：生成沟槽层；在该沟槽层中形成第一和第二沟槽；在第一和第二沟槽中生成传感层的第二部分所包含的薄膜层；和去除沟槽层之上、第一和第二沟槽之外的薄膜材料使传感层的第二部分被限制在第一和第二沟槽中并且与传感层的第一部分相接。
在第二个实施例中公开了一种制备磁性生物传感器的方法，该方法包含：在一个衬底上定义多个芯片区，每个芯片区中包含一个电路；在芯片区中制备磁性生物传感器，包含：在芯片区中制备传感层的第一部分，该第一部分至少包含反铁磁层，钉扎层，隧穿层和下电极；在芯片区中制备传感层的第二部分，该第二部分至少包含自由层，上电极和生物薄膜层，该步骤包含：生成一个沟槽层；在沟槽层中生成第一和第二沟槽；在第一和第二沟槽中生成传感层的第二部分所包含的薄膜层；和去除沟槽层之上、第一和第二沟槽之外的薄膜材料使传感层的第二部分被限制在第一和第二沟槽中并且与传感层的第一部分相接；和将芯片区从衬底中分离已形成分立的磁性生物传感器。
在第三个实施例中公开了一个磁性生物传感器，包含：衬底，该衬底包含一个电路；和传感层，该传感层包含：第一部分，该第一部分至少包含反铁磁层，钉扎层，隧穿层和下电极；该第一部分连续地分布在衬底的上表面，并且与衬底的上表面相连；和第二部分，该第二部分至少包含：沟槽层；和在沟槽层中的第一和第二沟槽，该第一和第二沟空间分离，在第一和第二沟槽各包含：自由层，上电极和生物薄膜层。
附图说明
由以下结合附图的详细说明，本发明的各个示范性实施方式能够被更加清楚地理解。
图1示意性地展示了一个磁性生物传感器；
图2示意性地展示了图1中自由层的一个实施例；
图3至图6示意性地展示了一种磁性传感器的制备方法；
图7和图8示意性地展示了利用图3至图8所示的方法制备一个磁性传感器的实例；
图9至图11示意性地展示了利用图3至图8所示的方法制备一个磁性传感器的另一个实例；
图12和图13示意性地展示了利用图3至图8所示的方法制备一个磁性传感器的另一个实例，该磁性传感器包含两个磁性测量结构；和
图14和图15示意性地展示了在基片上利用图3至图8所示的制备方法制备一个或多个磁性传感器的方法，其中图14示意性的展示了包含多个芯片的基片，图15示意性地展示了图15中的一个芯片。
具体实施方式
下面结合附图详细介绍本发明涉及的磁性生物传感器的制备方法的几个选定的例子。本领域技术人员会理解以下的介绍是为了说明的目的，不应该理解为对本发明的限制。在本发明范围内的其他变化也包含在本发明中。
为了能够充分利用现有的半导体制备工艺制备磁性生物传感器(和其他包含非传统材料。或者其他电子器件)，同时避免材料在薄膜边界的重新沉淀以及材料扩散等问题，本发明利用沟槽结构制备至少一部分薄膜层，尤其是那些受重新沉淀或者材料扩散影响较大的，或者那些由于重新沉淀或者材料扩散而直接导致制备失败的薄膜层。作为一个选择，沟槽壁可以覆盖钝化层或者隔离层。
图3至图6示范性地展示了本发明涉及的一种制备方法。参考图3，衬底116上可以生成一个沟槽层120。沟槽层120的材料有多种选择比如介电材料(比如氧化物、氮化物、碳化物、氮氧化物、碳氮氧化物等)或者其他材料比如无定型硅、多孔硅、聚合物或者有机物等。沟槽层120可以使用很多种薄膜工艺生成比如物理气相沉淀、化学气相沉淀、等离子体增强化学气相沉淀等方法。
利用光刻方法在沟槽层120中形成沟槽122，如图4所示。沟槽122的形状根据预期在该沟槽中所形成的结构决定。比如沟槽122沿衬底116平面的几何尺寸(长度、宽度、方向等)决定于预期在该沟槽中所形成的结构(比如图1中的自由层106、隧穿层108的形状、尺寸、和方向)。沟槽122的高度等于或者大于预期在该沟槽中所形成的结构的总厚度(比如图1中的自由层106和隧穿层108的总厚度)。
作为一个选择，沟槽122的槽壁比如槽壁可以生成保护层124如图5和图6所示。参考图5，保护层124可以是钝化层或者隔离层，包含氧化物(比如SiOx)，氮化物(如TiNx)或者其他材料，尤其是那些表面自由能等于或者小于TiNx的材料。槽壁的保护层124可以用来避免沟槽层120和预期在沟槽122中生成的薄膜层之间的扩散。同时也可以减少预期在沟槽122中生成的薄膜层之间的扩散。
沟槽保护层的厚度可以在100纳米以下，比如在50纳米以下，或者10纳米以下。在一些实施例中，保护层在沟槽122底部部分可以被去除，比如利用光刻和腐蚀的方法，如图6所示。
作为另一个选择，衬底的上表面(在沟槽层120和衬底116之间)可以沉淀一层保护薄膜。这层保护膜一方面可以用来保护衬底116，另一方面也可以用作刻蚀阻挡层(etching stop layer)。当利用刻蚀的方法去除如图5和图6所示的槽壁保护层124在沟槽122的底部部分时，在衬底上表面的刻蚀阻挡层可以用来阻挡刻蚀，保护衬底表面，尤其是对应于沟槽122底部的部分。
磁性生物传感器的薄膜层可以在沟槽122中形成。作为一个实施例，图7和图8示意性地展示了利用如图6所示沟槽结构生成如图1所示磁性传感器的方法。参考图7，衬底116上生成沟槽层120，并在沟槽层120中生成沟槽122。沟槽122沿衬底平面上的几何形状对应于磁性传感器100(图1所示)的传感层118沿衬底116平面的几何形状。沟槽122的深度等于或大于传感层118的厚度。
传感层118中的功能薄膜如反铁磁层114、钉扎层110、隧穿层108、自由层106、生物层102以及上下电极112可以沉淀在沟槽122中。作为选择，如图5和图6所示的槽壁保护层可以在沉淀传感层118之前生成在沟槽122中。为了将生物分子定位在沟槽122附近，生物层102在沟槽122之外的部分可以被去除，比如通过光刻和腐蚀的方法，如图8所示。
在另一个实施例中，磁性传感器100的一部分薄膜层可以利用常规的半导体工艺制备，而另一部分可以利用如图6所示的沟槽制备，一个具体的制备实例示意性地展示在图9和图10中。参考图9，磁性生物传感器100的反铁磁层114、下电极112、钉扎层110和隧穿层108可以利用常规的半导体工艺在衬底116上制备。沟槽曾120可以生成在隧穿层108的上表面。槽壁保护层124可以有选择性地生成。值得注意的是，隧穿层108是个介电材料层，可以作为光刻和腐蚀生成沟槽122是的刻蚀阻挡层，使刻蚀在隧穿层停止。
传感层118(如图1所示)的其他薄膜层可以陆续在沟槽中生成，如图10所示。具体的说，自由层110、上电极104和生物层102可以陆续生成在沟槽122中。当传感层118的功能薄膜层完成后，沟槽层120之上、沟槽122之外的部分可以被去除，如图11所示，去除可以通过刻蚀或者其它方法，比如离子束铣(Ion Milling)的方法。
为了提高测量精度，现在的磁性生物传感器往往采用两个磁场测量结构，其中一个测量结构用来测量目标磁场(因此被称为信号单元)，另一个测量结构用来为信号单元提供参考信号(因此被称为参考单元)。信号单元和参考单元在结构上往往是一致的。在有的磁性传感器中，参考单元的表面被覆盖一层软磁薄膜使参考单元与目标磁场和环境中的磁场磁隔离。信号单元则完全暴露在目标磁场中用来测量目标磁场。作为演示，图13示意性地展示了一个磁性生物传感器，该磁性传感器包含信号单元和参考单元。图13所示的磁性生物传感器140可以采用如图5和图6所示的沟槽制备，如图12所示。
参考图12，磁性传感器140的传感层142生成在衬底116上。传感层142的一部分包含：反铁磁层114、下电极114、钉扎层110和隧穿层108被逐步生成在衬底116上。沟槽层120生成在隧穿层108上，并通过光刻腐蚀生成沟槽126和128。沟槽126和128分别对应参考单元和信号单元。在生成的沟槽126和128中，可以陆续生成传感层142的其它薄膜层，如自由层106、上电极104和生物薄膜层102。当参考单元需要软磁材料覆盖的时候，软磁材料可以在生物薄膜和自由层之间，通过薄膜沉淀和光刻腐蚀的方法生成。生物薄膜可以在完成软磁薄膜之后生成。
当传感层142的各层薄膜完成之后，沟槽层120之上、沟槽126和128之外的部分可以通过刻蚀或者其它方法(比如离子束铣Ion Milling)的方法去除，如图13所示。
以上描述的利用沟槽制备磁性生物传感器的方法可以扩展到基片制备，一个实施例示意性的展示在图14和图15中。参考图14，基片128上可以定义多个芯片区如芯片区130。基片128可以是衬底116(如图1至图13所示)。每个芯片区对应一个磁性生物传感器。具体来说，每个芯片区中可以制备一个如图1或图13所示的磁性生物传感器。在芯片区上的磁性生物传感器可以按照以上所描述的利用沟槽的方法制备。
基片128上的芯片区比如芯片区130也可以对应于一个磁性生物传感器阵列，一个磁性生物传感器阵列可以包含多个如图1或者图13所示的磁性生物传感器，一个实施例示意性地展示在图15中。参考图15，芯片区130中可以制备一个磁性生物传感器阵列，该阵列包含M×N(M行，N列)个阵点，每个阵点(如阵点132)对应一个磁性生物传感器(如图1或图13所示的磁性生物传感器)。M和N可以是任何希望的正整数，比如8和12。
本领域技术人员能够理解，以上的讨论的目的是为了介绍，上面所举的例子是许多可能的例子中的一部份，其他的变型也是可行的。
本说明书中提到的“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等，其含义是，结合该实施例描述的具体特性、结构或特征包含在本发明的至少一个实施例中。在说明书各处出现的这种短语不一定是指同一个实施例。另外，当结合任何实施例描述具体特性、结构或特征时，这意味着本领域技术人员能够该特性、结构或特征应用于其他的实施例中。而且，为了易于理解，一些方法步骤被描述为独立的步骤；但是，这些独立描述的步骤不应被认为必须按照一定的顺序执行。也就是说，一些步骤同时也可以按照另外的顺序执行。此外，示例性的示图显示了根据本发明实施例的各种方法。这里的这种示例性方法实施例是利用相应的装置实施例来描述的，并可以应用于这些相应的装置实施例。但是，这些方法实施例不是为了限制本发明。
的虽然这里展示和说明了本发明的几个实施例，但本领域技术人员能理解，可以对这些实施例进行改变而不脱离本发明的原则和精神。因此，以上的各实施例从任何意义上讲都应被认为是说明性的而不是对这里所描述的本发明的限制。本发明的范围由所附的权利要求书而不是上述说明书限定。在说明书的等价描述的含义和范围内的所有变化都包含在本发明的范围中。在本说明书中使用的术语“优选”不是排它的，其含义是“优选为但并不限于”。权利要求书中的术语，在与说明书所描述的本发明的一般概念一致的情况下，应按照它们的最宽范围解释。例如，术语“连接”和“耦合”(及其派生词汇)意味着直接和间接的连接/耦合。作为另一个例子，“具有”和“包括”及其派生词和变异词或词组都和“包含”具有相同的意思(即，都是“开放式”术语)-只有词组“由…构成”和“实质上由…构成”应被认为是“关闭式”的。不应按照112条第6款解释权利要求书，除非词组“意味着”和相关的功能出现在某项权利要求中，并且该权利要求没有描述充分的结构来执行该功能。
Claims (8)
1.一种用于制备磁性生物传感器的方法，该方法包括以下步骤：
提供一个衬底，该衬底包含电路；和
在该衬底上制备传感层，该传感层包含第一和第二部分，第一和第二部分各包含至少一个薄膜层，该步骤包括：
在该衬底上制备传感层的第一部分；和
在传感层的第一部分上制备第二部分，该步骤包括：
生成沟槽层；
在该沟槽层中形成第一和第二沟槽；
在第一和第二沟槽中生成传感层的第二部分所包含的薄膜层；和
去除沟槽层之上、第一和第二沟槽之外的薄膜材料使传感层的第二部分被限制在第一和第二沟槽中并且与传感层的第一部分相接。
2.如权利要求1所述的方法，其中，传感层的第一部分至少包含反铁磁层、钉扎层、隧穿层和下电极；第二部分至少包含自由层、上电极和生物薄膜层。
3.如权利要求2所述的方法，其中，第一和第二沟槽的槽壁包含保护层，该保护层和沟槽层包含至少一种不同的材料。
4.如权利要求1所述的方法，其中，第一沟槽中形成一个信号单元可以测量目标磁场；第二沟槽中形成一个参考单元可以为信号单元的测量提供修正信号；信号单元和参考单元通过一个惠斯通电桥相连，该惠斯通电桥在衬底中。
5.一种制备磁性生物传感器的方法，包含:
在一个衬底上定义多个芯片区，每个芯片区中包含一个电路；
在芯片区中制备磁性生物传感器，包含：
在芯片区中制备传感层的第一部分，该第一部分至少包含反铁磁层，下电极，钉扎层和隧穿层；
在芯片区中制备传感层的第二部分，该第二部分至少包含自由层，上电极和生物薄膜层，该步骤包含：
生成一个沟槽层；
在沟槽层中生成第一和第二沟槽；
在第一和第二沟槽中生成传感层的第二部分所包含的薄膜层；和
去除沟槽层之上、第一和第二沟槽之外的薄膜材料使传感层的第二部分被限制在第一和第二沟槽中并且与传感层的第一部分相接；和
将芯片区从衬底中分离以形成分立的磁性生物传感器。
6.如权利要求5所述的方法，其中，第一沟槽中形成一个信号单元以测量目标磁场；第二沟槽中形成一个参考单元用于为信号单元的测量提供修正信号；信号单元和参考单元通过一个惠斯通电桥相连，该惠斯通电桥被包含在衬底电路中。
7.一个磁性生物传感器，包含：
衬底，该衬底包含一个电路；和
传感层，该传感层包含：
第一部分，该第一部分至少包含反铁磁层、下电极、钉扎层和隧穿层；该第一部分连续地分布在衬底的上表面，并且与衬底的上表面
相连；和
第二部分，该第二部分至少包含：
沟槽层；和
在沟槽层中的第一和第二沟槽，该第一和第二沟在空间上分离，
在第一和第二沟槽各包含：自由层、上电极和生物薄膜层。
8.如权利要求7所述的磁性生物传感器，其中，第一和第二沟槽各包含一个保护层，该保护层位于第一和第二沟槽的槽壁上。
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