JP2021517647A - 分子認識のためのナノポアを備えたトンネリング接合の製造 - Google Patents
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Abstract
Description
[0001]この出願は、2018年4月9日出願の米国特許仮出願番号第62/654,894号の優先権を主張し、その内容は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書中に取り込まれている。
[0030]「接触している」という用語は、電子が1つの物体から他の物体を通ってトンネルできるように1つの物体をもう1つの物体に近接させることを呼ぶことができる。サブアトミックレベルでは、物体が極近接することを物体内の電子雲からの反発力が妨げることがあるので、2つの物体は、決して互いに物理的に触れ合わない。
[0039]図1Aは、分子のトンネリング認識のために使用されることがある単純なデバイス100を示す。絶縁性層102は、金属104と金属106とを隔てる。金属104および金属106は、電極であってもよい。電圧が、電源108から金属104および金属106に印加されることがある。分子が両方の金属104および金属106と接触すると、電子が、一方の電極から他方へと核酸分子をトンネルして通ることができ、電流を発生することがある。電流は、計測器110により測定されることがある。分子は、振動することがあり、測定される電流は、ある振幅および周波数を有することがある。振幅および周波数は、可変であってもよい。電流の特性は、特定の分子または分子の一部分を同定する際に役立つことがある。電気的特性は、分子または分子の一部分を同定する際にほぼフィンガプリントとして働くことができる。
[0043]3つの技術が、ナノポアデバイスの信頼性および製造性を改善するために記載される。上に述べたように、図1Bおよび図1Cのナノポアデバイスの信頼性および製造性の潜在的な弱さは、電極の鋭角な側壁および電極間の薄い絶縁性層カバレッジであり得る。第1に、電極を覆う絶縁性層のカバレッジが厚くなり、これにより短絡することの可能性を減少させるように、傾斜する側壁を備える電極が堆積されることがある。第2に、絶縁性層は、多数の絶縁体層を含むことができ、ボイドを形成することおよび短絡を引き起こすことを防止できる。第3に、電極がより容易に製造され、通常動作にとっては高過ぎるシート抵抗を持たないように、電極層は、2次元に先細りを形成されることがある。
[0044]短絡することの可能性は、垂直な側壁または実質的に垂直な側壁のない電極を形成することにより低減されることがある。電極は、傾斜する側壁を有することがあるまたは湾曲されるもしくは丸みを付けられることがある。電極の構造がここで導入される。電極を堆積するために使用したプロセスが、後で論じられる。
[0047]分子が両方の電極に接触するときに、分子を通るトンネリング電流が解析を容易にするために分子の十分に小さな部分を通ることができるように、薄い絶縁性層が、電極間に望まれる。例えば、解析しようとする分子がDNA分子である場合に、DNA分子が両方の電極に接触するときに、電流が単一のヌクレオチドだけを通過するように、絶縁性層は薄いはずである。しかしながら、薄い絶縁性層は、厚い絶縁性層よりも電極間に小さな障壁しか形成しない。底部電極の端部のところに、金属の粒子が存在することがある。金属粒子は、電極を堆積している間にまたはすぐ後に電極の端部から剥がれ落ちることがある。薄い絶縁性層が底部電極の端部のところのこれらの金属粒子を覆うために使用される場合には、薄い絶縁性層は、もう1つの電極が堆積される前に除去されるまたはエッチングで取り去られることがある。そして、これらの金属粒子は、もう1つの電極が底部電極の上へと堆積されるときには、絶縁性層によってはもはや覆われないことがある。底部電極および上部電極が、接触することがありそして短絡を引き起こすことがある。電極の端部のところに存在する金属粒子もまた、垂直な側壁をともなう表面形状でより一般的なことがある。
[0053]ナノポア用の薄い電極が、製造を容易にするために望まれる。穴をエッチングすることまたはそうでなければ形成することは、厚い電極と比較して薄い電極を貫通することが容易である。薄い電極はまた、シート抵抗を大きくする。ある程度まで、分子が電極に接触するときの電流または電圧の変化がより容易に検出されることが可能であるように、より大きなシート抵抗が望まれる。しかしながら、シート抵抗を大きくすることは、熱を増加させることがあり、デバイス故障につながることがある。これらの問題を取り扱うために、電極は、コンタクト領域から接合領域への少なくとも2つの方向に先細りを形成されることがある。電極の構造が、下記に説明される。電極に先細りを形成するためのプロセスフローは、後で説明される。
[0054]図4Aは、横並びで接合領域およびコンタクト領域の図を示す。接合領域は、高さH1および幅W1を備えた電極402を有することができる。コンタクト領域は、高さH2および幅W2を備えるが同じ電極402を有することができる。幅W2が、幅W1よりも大きいことがある。高さH2が、高さH1よりも大きいことがある。
[0058]実施形態は、分子を解析するためのシステムを含むことができる。システムは、図2のシステム200に類似することがある。システムは、デバイス201を含むことができる。デバイス201は、底部金属電極204などの第1の電極を含むことができる。底部金属電極204は、第1の導電性材料を含むことができる。導電性金属は、貴金属を含むことができ、貴金属は、例えば、金、プラチナ、およびパラジウムを含む。解析しようとする分子用の媒体として使用される水溶液中で化学的に安定である金属酸化物を有する任意の金属が使用されることがある。他の金属は、第4周期元素(例えば、クロム、ニッケル、および銅)、第5周期元素(例えば、パラジウム)、および第6周期元素(例えば、タンタル)を含め、遷移金属を含むことができる。いくつかの実施形態では、他の金属は、高融点金属(例えば、ニオブ、モリブデン、タンタル、タングステン、レニウム、チタン、バナジウム、クロム、ジルコン、ハフニウム、ルテニウム、ロジウム、オスミウム、イリジウム)を含むことができる。底部金属電極204は、基板210の表面に接触することがある。基板210は、シリコンウェハまたはシリコン・オン・インシュレータ・ウェハを含め、半導体基板であってもよい。
[0075]デバイスおよびシステムを製造する方法は、垂直でない側壁を備える電極を堆積するためのプロセスならびに電極の高さおよび厚さに先細りを形成するためのプロセスを含むことができる。
[0076]上に記載したように、傾斜する側壁は、上にある絶縁体層が下にある導電性材料層をより容易に覆うことを可能にし、これにより短絡することまたは剥離することの可能性を減少させるために使用されることがある。
[0082]図4Aおよび図4Bに示したような電極の幅および厚さに先細りを形成することもまた、リフトオフレジストを使用して実現されることがある。
[0086]図7Aは、分子を解析するためのシステムを製造する方法700を示す。方法700は、傾斜する側壁を備えた電極および2つの絶縁体層を含むことができる。加えて、方法700はまた、電極が容易に製造されるように2次元に電極に先細りを形成することを含むことができる。方法700は、図2の構造に類似する構造を形成することと見られてもよい。ブロック705〜720は、底部金属電極204を形成するためであってもよい。ブロック725〜740は、第1の絶縁体層206および第2の絶縁体層208を形成するためであってもよい。ブロック745は、上部金属電極202を形成するためであってもよい。ブロック750および755は、穴212を形成するためであってもよい。
[0103]図8は、分子を解析する方法800を示す。方法800は、本明細書に記載したいずれかのシステムまたはデバイスを使用することができる。
[0116]トンネリング接合が、製造されそして電流および電圧特性に関して試験された。電流および電圧特性は、トンネリング電流の存在を示した。
[0124]本明細書において述べたコンピュータシステムのうちのいずれも、任意の適切な数のサブシステムを利用できる。このようなサブシステムの例が、コンピュータシステム10では図12に示される。いくつかの実施形態では、コンピュータシステムは、単一のコンピュータ装置を含み、そこではサブシステムがコンピュータ装置の構成要素であってもよい。他の実施形態では、コンピュータシステムは、各々がサブシステムであり、内部構成要素をともなう多数のコンピュータ装置を含むことが可能である。コンピュータシステムは、デスクトップおよびラップトップコンピュータ、タブレット、携帯電話機ならびに他のモバイルデバイスを含むことができる。
Claims (29)
- 分子を解析するためのシステムを製造する方法であって、
垂直でない側壁を有する第1の電極を形成するために基板の表面上に第1の導電性材料を堆積するステップであって、ここで、前記第1の電極が第1の長手方向軸を有し、第1の平面が前記第1の長手方向軸を含みかつ前記基板の前記表面に直交するものである、前記ステップ;
前記第1の電極上に絶縁性層を形成するステップ;
垂直でない側壁を有する第2の電極を形成するために前記絶縁性層上に第2の導電性材料を堆積するステップであって、ここで、前記第2の電極が第2の長手方向軸を有し、第2の平面が前記第2の長手方向軸を含みかつ前記基板の前記表面に直交し、前記第1の平面および前記第2の平面がゼロ度でない角度で交差するものである、前記ステップ;ならびに
前記基板、前記第1の電極、前記絶縁性層、および前記第2の電極内に穴を画定するステップ;
を含む、前記方法。 - 前記絶縁性層を形成するステップが、
前記第1の電極上に第1の厚さに第1の絶縁性材料を堆積するステップ;
前記第1の電極の上部表面の一部分を露出させるために前記第1の絶縁性材料内に第1のビアを画定するステップ;
前記第1の絶縁性材料上に第2の厚さに第2の絶縁性材料を堆積するステップであって、ここで、前記第2の厚さが前記第1の厚さより薄いものである、前記ステップ;および
第2のビアを画定するために前記第1の電極の前記上部表面の前記一部分上に前記第2の絶縁性材料を堆積するステップ;
を含み、ここで、
前記穴を画定するステップが、前記第2のビアの底部表面の一部分を画定する材料を除去するステップを含み、
前記穴が、前記第1の絶縁性材料ではなく前記第2の絶縁性材料内に画定される、
請求項1に記載の方法。 - 前記第1の導電性材料を堆積するステップが、バイアスしたターゲット堆積によるものであり、
前記第1のビアを画定するステップが、電子ビームリソグラフィを使用してパターニングし、前記第1の絶縁性材料をウェットエッチングするステップを含む、
請求項2に記載の方法。 - 前記ゼロ度でない角度が、85度〜95度である、請求項1に記載の方法。
- 前記第1の導電性材料を堆積するステップの前に第1のレジスト層を形成するステップ;
前記第1のレジスト層内に第1の溝を画定するステップであって、ここで、前記第1の溝が、前記第1の溝の底部で第1の幅を有し、前記第1の溝の上部で第2の幅を有するものであり、前記第1の幅が前記第2の幅よりも大きいものである、前記ステップ;
前記第1の導電性材料を堆積するステップの後で前記第1のレジスト層を除去するステップ;
をさらに含み、ここで、
前記第1の導電性材料を堆積するステップが、前記基板を回転させながら垂直でない角度で前記第1の導電性材料を堆積するステップを含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記垂直でない角度が、40度〜50度である、請求項5に記載の方法。
- 前記第1の幅が、前記第1の溝の端部から前記第1の長手方向軸に沿って減少し、
前記第2の幅が、前記第1の溝の前記端部から前記第1の長手方向軸に沿って減少する、
請求項5に記載の方法。 - 前記第1の電極が、前記第1の電極の端部から前記第1の長手方向軸に沿って幅および厚さについて先細りにされた、請求項1に記載の方法。
- 前記第2の導電性材料を堆積するステップの前に第1のレジスト層を形成するステップ;
前記第1のレジスト層内に第1の溝を画定するステップであり、ここで、前記第1の溝が、前記第1の溝の底部で第1の幅を有し、前記第1の溝の上部で第2の幅を有するものであり、前記第1の幅が前記第2の幅よりも大きいものである、前記ステップ;ならびに
前記第2の導電性材料を堆積するステップの後で前記第1のレジスト層を除去するステップ;
をさらに含み、ここで、
前記第2の導電性材料を堆積するステップが、前記基板を回転させながら垂直でない角度で前記第2の導電性材料を堆積するステップを含む、
請求項1に記載の方法。 - 前記第1の電極または前記第2の電極のうちの少なくとも一方を電源に接続するステップ;および
前記第1の電極または前記第2の電極のうちの少なくとも一方を電気計測器に接続するステップ;
をさらに含む、請求項1に記載の方法。 - 分子を解析するためのシステムであって、
前記システムがデバイスを備え、前記デバイスが、
第1の導電性材料を含む第1の電極であって、ここで、前記第1の電極が垂直でない側壁を有し、前記第1の電極が基板の表面と接触し、前記第1の電極が第1の長手方向軸を有し、第1の平面が、前記第1の長手方向軸を含みかつ前記基板の前記表面に直交するものである、前記第1の電極;
第2の導電性材料を含む第2の電極であって、ここで、前記第2の電極が垂直でない側壁を有し、前記第2の電極が第2の長手方向軸を有し、第2の平面が、前記第2の長手方向軸を含みかつ前記基板の前記表面に直交し、前記第1の平面および前記第2の平面がゼロ度でない角度で交差するものである、前記第2の電極;ならびに
前記第1の電極と前記第2の電極との間に配置された絶縁性層;
を備え、ここで、
穴が前記第1の電極、前記第2の電極、および前記絶縁性層を貫通する、
前記システム。 - 前記第1の電極または前記第2の電極のうちの少なくとも一方と電気的に通信する電源と、前記第1の電極または前記第2の電極のうちの少なくとも一方と電気的に通信する電気計測器をさらに備える、請求項11に記載のシステム。
- 前記電源が第1の電源であり、
前記システムが、
前記穴を介して電場を印加するように構成された第2の電源であって、前記第1の電極と電気的に通信せず、前記第2の電極と電気的に通信しない、前記第2の電源をさらに備える、
請求項12に記載のシステム。 - 前記穴が円柱状である、請求項11に記載のシステム。
- 前記絶縁性層が、第1の絶縁性材料および第2の絶縁性材料を含み、
前記第2の絶縁性材料の第1の部分が、前記第1の絶縁性材料と前記第2の電極との間に配置され、
前記第2の絶縁性材料の第2の部分が、前記第1の電極と前記第2の電極との間に配置され、
前記第1の絶縁性材料が、第1の厚さにより特徴づけられ、
前記第2の絶縁性材料が、第2の厚さにより特徴づけられ、
前記第1の厚さが、前記第1の厚さよりも大きく、
前記穴が、前記第1の絶縁性材料ではなく前記第2の絶縁性材料内に画定される、
請求項11に記載のシステム。 - 前記第1の電極が、
オーバーハングを有する第1のレジスト層を形成するステップの後で前記基板を回転させながら垂直でない角度で前記第1の導電性材料を堆積するステップにより形成される、請求項11に記載のシステム。 - 前記第1の電極が、厚さおよび幅により特徴づけられ、
前記第1の電極が、端部を有し、
前記第1の電極の前記厚さが、前記端部から前記穴の一部分を画定する前記第1の電極の一部分まで先細りにされ、
前記第1の電極の前記幅が、前記端部から前記穴の前記一部分を画定する前記第1の電極の一部分まで先細りにされた、
請求項11に記載のシステム。 - 前記第2の電極が、厚さおよび幅により特徴づけられ、
前記第2の電極が、端部を有し、
前記第2の電極の前記厚さが、前記端部から前記穴の一部分を画定する前記第1の電極の一部分まで先細りにされ、
前記第2の電極の前記幅が、前記端部から前記穴の前記一部分を画定する前記第2の電極の一部分まで先細りにされた、
請求項17に記載のシステム。 - 前記第2の電源と電気的に通信する第3の電極;および
第4の電極;
をさらに備え、ここで、
前記穴が、長手方向軸の付近に中心を置かれ、
前記長手方向軸が、前記第3の電極および前記第4の電極と交差する、
請求項13に記載のシステム。 - 前記穴が、2nm〜30nmの範囲内の直径により特徴づけられる、請求項11に記載のシステム。
- 前記絶縁性層が、1nm〜2nmの範囲内の厚さにより特徴づけられる、請求項11に記載のシステム。
- 前記デバイスが、第1のデバイスであり、
前記システムが、前記第1のデバイスと同一である複数のデバイスを備える、
請求項11に記載のシステム。 - 分子を解析する方法であって、
絶縁性層により隔てられた第1の電極および第2の電極をまたいで電圧を印加するステップであって、ここで、前記第1の電極が垂直でない側壁を有し、前記第1の電極が第1の長手方向軸を有し、前記第2の電極が垂直でない側壁を有し、前記第2の電極が第2の長手方向軸を有し、第1の平面が前記第1の長手方向軸を含みかつ基板の表面に直交し、第2の平面が前記第2の長手方向軸を含みかつ前記基板の前記表面に直交し、前記第1の平面および前記第2の平面がゼロ度でない角度で交差するものである、前記ステップ;
穴内の前記絶縁性層をまたいで前記第1の電極および前記第2の電極に前記分子を接触させるステップ;
前記第1の電極および前記第2の電極を介して電気的特性を測定するステップ;ならびに
前記電気的特性に基づいて前記分子の一部分を同定するステップ;
を含み、ここで、
前記穴が、前記第1の電極、前記第2の電極、および前記絶縁性層を貫通する、
前記方法。 - 前記絶縁性層が、第1の絶縁性材料および第2の絶縁性材料を含み、
前記第2の絶縁性材料の第1の部分が、前記第1の絶縁性材料と前記第2の電極との間に配置され、
前記第2の絶縁性材料の第2の部分が、前記第1の電極と前記第2の電極との間に配置され、
前記第1の絶縁性材料が、第1の厚さにより特徴づけられ、
前記第2の絶縁性材料が、第2の厚さにより特徴づけられ、
前記第1の厚さが、前記第1の厚さよりも大きく、
前記穴の一部分が、前記第2の絶縁性材料により画定される、
請求項23に記載の方法。 - 前記電気的特性が、電流、電圧、または抵抗である、請求項23に記載の方法。
- 前記電気的特性に基づいて前記分子の前記部分を同定するステップが、前記電気的特性を既知の分子または分子の既知の部分から測定した較正電気特性と比較するステップを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記分子が、核酸分子である、請求項23に記載の方法。
- 前記分子の前記部分が、ヌクレオチドを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記分子の前記部分を同定するステップが、前記分子の部分の所定のセットから前記分子の前記部分を同定するステップを含む、請求項23に記載の方法。
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