[0006」良好に制御された固体状態のナノポア、及び良好に制御された固体状態のナノポアのアレイを製造する方法が提供される。一態様では、ナノポア及びナノポアのアレイを製造する方法は、物理的シームを利用する。1つ以上のエッチピットが、基板の上側において形成され、1つ以上のエッチピットと整列している1つ以上のトレンチが、基板の裏側において形成される。開口は、1つ以上のエッチピットと1つ以上のトレンチとの間に形成される。次いで、例えば、酸化又は原子層堆積によって、誘電材料が基板の上に形成され、開口が充填される。次いで、接触子が、基板の上側及び裏側に形成又は配置され、電圧が、誘電材料を通して、基板の上側から裏側へと又は基板の裏側から上側へと印加され、ナノポアが形成される。別の態様では、ナノポアは、誘電材料内に形成されるシームにおける開口の中心において又は当該開口の中心の近傍に形成される。
[0007」一態様では、ナノポアを形成する方法が提供される。当該方法は、上側の少なくとも1つのフィーチャ、上側の少なくとも1つのフィーチャと整列した、裏側の少なくとも1つのフィーチャ、及び上側の少なくとも1つのフィーチャと裏側の少なくとも1つのフィーチャとの間の少なくとも1つの開口を有する基板を設けることと、基板の上に誘電材料を形成して、少なくとも1つの開口を充填することであって、当該誘電材料は、その中に少なくとも1つのシームが形成される、少なくとも1つの開口を充填することと、少なくとも1つのシームを利用して、少なくとも1つのナノポアを形成することとを含む。
[0008」別の態様では、ナノポアを形成するための方法が提供される。当該方法は、基板の上側にエッチピットを形成することと、基板の裏側にトレンチを形成することであって、当該トレンチが、前記エッチピットと整列した、トレンチを形成することと、エッチピットとトレンチとの間に開口を形成することであって、当該開口が、エッチピットとトレンチとを接続する、開口を形成することと、基板の上に誘電材料を形成して、開口を充填することであって、当該誘電材料は、その中にシームが形成される、開口を充填することと、シームを利用して、ナノポアを形成することとを含む。
[0009」更に別の実施形態では、基板が開示される。当該基板は、概して、基板の上側の複数の上側フィーチャ、基板の裏側の複数の裏側フィーチャであって、複数の上側フィーチャのそれぞれが、複数の裏側フィーチャのそれぞれと整列した、基板の裏側の複数の裏側フィーチャ、複数の上側フィーチャのそれぞれを複数の裏側フィーチャのそれぞれと接続する複数の開口、及び基板の上に形成された誘電材料であって、上側フィーチャのそれぞれにおける誘電材料が、複数の開口のそれぞれの中心において又は当該開口のそれぞれの中心の近傍にナノポアを有する、誘電材料を含む。
[0010]さらに別の態様では、ナノポアを形成するための方法が提供される。当該方法は、概して、基板の裏側にトレンチを形成することと、基板の上側にエッチピットを形成することであって、エッチピットが、エッチング停止層の上に形成され、エッチング停止層が、トレンチとエッチピットとの間にバリアを形成する、基板の上側にエッチピットを形成することと、バリアから誘電材料を形成することと、基板の上側と裏側に1つ以上の接触子を配置することと、誘電材料を通して、上側接触子から裏側接触子へと又は裏側接触子から上側接触子へと電圧を印加し、ナノポアを形成することとを含む。
[0011]さらに別の態様では、ナノポアを形成するための方法が提供される。当該方法は、概して、上側の少なくとも1つのフィーチャ、上側の少なくとも1つのフィーチャと整列した、裏側の少なくとも1つのフィーチャ、及び上側の少なくとも1つのフィーチャと裏側の少なくとも1つのフィーチャとの間の少なくとも1つの開口を有する基板を設けることと、基板の上に誘電材料を形成して、少なくとも1つの開口を充填することと、誘電材料を通して、上側から裏側へと電圧を印加し、少なくとも1つのナノポアを形成することとを含む。
[0012]本開示の上述の特徴を詳細に理解できるように、諸態様を参照することによって、上記で簡単に要約された本開示のより具体的な説明を得ることができる。そのうちの幾つかの態様は、添付の図面で例示されている。しかし、添付の図面は、例示的な態様のみを示すものであり、したがって、本開示の範囲を限定すると見なすべきではなく、他の等しく有効な態様も許容し得ることに、留意されたい。
[0016]理解を容易にするために、可能な場合には、図に共通する同一の要素を指し示すのに同一の参照番号を使用した。一態様の要素及び特徴は、さらなる記述がなくとも、他の態様に有益に組み込まれ得ると想定される。
[0017]良好に制御された固体状態のナノポア、及び良好に制御された固体状態のナノポアのアレイを製造する方法が提供される。一態様では、ナノポア及びナノポアのアレイを製造する方法は、物理的シームを利用する。1つ以上のエッチピットは、基板の上側において形成され、1つ以上のエッチピットと整列している1つ以上のトレンチは、基板の裏側において形成される。開口は、1つ以上のエッチピットと1つ以上のトレンチとの間に形成される。次いで、例えば、酸化又は原子層堆積によって、誘電材料が基板の上に形成され、開口が充填される。次いで、接触子が、基板の上側及び裏側に形成又は配置され、電圧が、誘電材料を通して、基板の上側から裏側へと又は基板の裏側から上側へと印加され、ナノポアが形成される。別の態様では、ナノポアは、誘電材料内に形成されるシームにおける開口の中心において又は当該開口の中心の近傍に形成される。
[0018]本明細書に開示される方法は、一例として、半導体基板上に固体状態のナノポアを形成することを指している。さらに、開示された方法は、固体状物質及び生体物質を含む様々な材料に他のポア状構造を形成するために有用であると考えられている。本明細書に開示される方法は、一例として、錐台形状エッチピット及びトレンチの形成にも言及しているが、他のエッチングされたフィーチャ及びそれらの任意の組合せも考えられる。例示のために、酸化ケイ素誘電体層を有するシリコンオンインシュレータ(SOI)基板が説明されているが、任意の適切な基板材料及び誘電材料も考えられる。さらに、本明細書に開示された方法は、基板の上側及び裏側に言及している。上側と裏側とは、概して、基板の両側のことを指しており、必ずしも上向きの配向又は下向きの配向を必要としているわけではない。したがって、本明細書に記載された方法は、垂直膜上のシームを利用して、垂直膜を通してナノポアを形成するためにも有用であると考えられている。さらに、本明細書に開示された方法は、概して、シームを利用することに言及しているが、開示された方法は、間隙を利用して、ナノポアを形成するために有用であるとも考えられている。
[0019]図1は、本開示に係る、1つ以上のナノポアを形成するための方法100の処理フローである。
[0020]方法100の前に、基板が設けられる。基板は、概して、ドープされた又はドープされていないシリコン(Si)基板などの任意の適切な半導体基板である。方法100は、工程110で、基板の上側に1つ以上のエッチピットを形成することにより始まる。工程120では、1つ以上のトレンチが基板の裏側に形成され、これは、基板の上側の1つ以上のエッチピットと整列している。工程130では、1つ以上のエッチピットのそれぞれと1つ以上のトレンチのそれぞれとの間に開口が形成される。工程140では、誘電材料が基板の上に形成され、開口が充填され、開口の中心において又はその中心の近傍にシームが形成される。シームは、概して、各側壁に形成された誘電材料の交点に形成される。工程150では、シームを開いて、良好に制御されたナノポアを形成するために、シームを利用して、基板の上側から裏側へと又は基板の裏側から上側へと電圧を印加することによりナノポアを形成する。
[0021]一態様では、工程140及び工程150は、内部に開口を有する処理済み基板に対して実行されるスタンドアローン処理の一部である。
[0022]工程120,工程130、及び工程140は、概して、任意の適切な順序で行われる。一態様では、工程120で基板の裏側に1つ以上のトレンチを形成することは、工程110で基板の上側に1つ以上のエッチピットを形成する前に行われ、工程140で誘電材料を堆積することは、概して、方法100の任意の適切な段階で行われる。
[0023]一態様では、基板が酸化されて、開口が充填され、1つ以上のエッチピットのそれぞれの開口の中心において又はその中心の近傍にシームが形成される。別の態様では、誘電体材料が基板の上に堆積されて、1つ以上のエッチピットのそれぞれの開口の中心において又はその中心の近傍にシームが形成される。誘電材料は、概して、原子層堆積(ALD)、物理的気相堆積(PVD)、又は化学気相堆積(CVD)を含むがこれらに限定されない任意の適切な堆積方法によって堆積される。さらに、幾つかの実施例は、堆積された誘電材料内のシーム形成を含むが、誘電材料がシームを有さず、且つ、誘電材料にわたって、誘電破壊を起こすのに十分な電圧を印加すると、誘電材料内にナノポアが形成されるとも考えられている。
[0024]別の態様では、方法100は、例えば、基板を酸化するか、又は誘電材料を堆積する前に、基板の上側の1つ以上のエッチピットの底部にエッチング停止層を形成することをさらに含む。
[0025]図2Aから図2Oは、本明細書に開示される方法に従って、例えば、方法100の様々な段階で1つ以上のナノポアが形成される基板200の断面図を示す。図2Aから図2Oは、特定の順序で示されているが、図2Aから図2Oに示される方法100の様々な段階は、任意の適切な順序で実行されるとも考えられている。
[0026]図2Aに示すように、上側ハードマスク210は、基板200の上側に配置され、上側底部反射防止コーティング(bottom anti-reflective coating:BARC)層212は、上側ハードマスク210の上に配置され、上側フォトレジスト214は、上側BARC層212の上に配置される。次に、上側パターニング処理が実行されて、上側ハードマスク210及び上側BARC層212に1つ以上のトレンチ216が形成される。概して、上側パターニング処理は、図2Bに示されるように、上側フォトレジスト214をパターニングし、次いで、例えば、図2Cに示されるように、反応性イオンエッチング(reactive ion etching:RIE)によって、マスクされていない上側ハードマスク210及び上側BARC層212をエッチングすることを含む。上側フォトレジスト214は、任意選択的に除去される。次に、KOHエッチング又は他の適切なエッチング処理などの上側エッチング処理が実行され、図2Dに示すように、基板200内に1つ以上の錐台形状エッチピット218が形成される。他の適切なエッチング処理には、異方性エッチング処理が含まれるが、これに限定されない。
[0027]基板200は、次いで、裏側の処理のために反転される。図2Eに示すように、裏側ハードマスク220が、基板200の裏側にわたって堆積され、裏側BARC層222が、裏側ハードマスク220の上に堆積され、裏側フォトレジスト224が、裏側BARC層222の上に堆積される。次に、裏側パターニング処理が実行されて、裏側ハードマスク220及び裏側BARC層222内に1つ以上の裏側トレンチ226が形成される。概して、裏側パターニング処理は、図2Fに示されるように、裏側フォトレジスト224をパターニングし、次いで、図2Gに示されるように、マスクされていない裏側ハードマスク220、裏側BARC層222、及び基板200の一部をエッチングして、1つ以上の裏側トレンチ226を形成することを含む。スピンコーティングされた裏側フォトレジスト224は、任意選択的に除去される。
[0028]図2Aから図2Oの態様では、基板200は、一例としてその上側に150ナノメートル(nm)のSiデバイス層230を有する埋め込み酸化物層202を内部に有するSOI基板であるが、任意の適切な基板又はSOI基板も考えられる。上側ハードマスク210は、低圧化学気相堆積(LPCVD)窒化物であり、上側フォトレジスト214は、スピンコーティングされたフォトレジストである。1つ以上の錐台形状エッチピット218は、概して、基板のサイズに基づいた任意の適切なサイズである。例えば、上側に150nmのSiデバイス層を有するSOI基板が使用される態様では、1つ以上の錐台形状エッチピット218は、5ミリメートル(mm)ピッチで間隔を置いた212ナノメートル(nm)×212nm四方の開口である。KOHエッチングは、概して、約54.7度の角度でSiをエッチングする。したがって、上側KOHエッチングがSOI基板200で所定期間行われると、1つ以上の錐台形状エッチピット218は、概して、錐台形状エッチピット218の先端が埋め込み酸化物層202上にあり且つそこに接触した状態で終端する。この所定期間は、概して、マスク開口に対する横方向エッチングを減少させる又は無くすように決定される。概して、図2Iに示すSiの<100>面229は、溶液の温度及びH2O中のKOHの濃度に対応する速度でエッチングされる。ほとんどの場合、KOHは、約0.4nm/秒から約20nm/秒の間の速度でSiの<100>面をエッチングするであろう。溶液を冷却又は加熱することによって、この速度を加速又は遅延させることができる。
[0029]裏側フォトレジスト224のパターニングは、任意の適切なサイズ及び形状の開口のパターンを形成することを含み、これらの開口は、1つ以上の錐台形状エッチピット218と整列している。例えば、上述のように、上側に150nmのSiデバイス層を有するSOI基板が使用される態様では、裏面フォトレジスト224は、5mmピッチで100マイクロメートル(μm)×100μm四方の開口でパターニングされる。これらの開口は、基板200の上側の1つ以上の円錐台形エッチピット218と整列している。一態様では、深掘反応性イオンエッチング(DRIE)を次いで使用し、1つ以上の裏側トレンチ226が形成される。1つ以上の裏側トレンチ226は、図2Gに示すように、埋め込み酸化物層202の裏側における表面までエッチングされ、1つ以上の裏側トレンチ226のそれぞれの底部は、埋め込み酸化物層202の上部に対応する。次いで、フッ化水素酸(HF)ディップのよう局所的な除去処理が、1つ以上の裏側トレンチ226の中の埋め込み酸化物層202を除去するために使用され、それにより、図2Iに示されるように、1つ以上の裏側トレンチ226のそれぞれの底部が、デバイス層230上にあり且つそこに接触した状態になり、開口228が、1つ以上の錐台形状エッチピット218の先端に形成される。図2Iは、図2Hの拡大され且つ反転した部分である。さらなる態様では、湿式エッチング処理が使用されて、1つ以上の裏側トレンチ226が形成される。
[0030]概して、開口228のサイズは、エッチング処理中に、化学的性質、温度、濃度勾配、及び副生成物除去勾配(byproduct removal gradients)を制御することによって制御される。一態様では、開口は、約5nm×5nmと約10nm×10nmとの間である。開口のサイズは、通常、走査電子顕微鏡(SEM)や透過型電子顕微鏡(TEM)を用いて測定される。
[0031]次いで、図2Jに示されるように、基板200の上に誘電材料232が形成され、開口228が充填される。誘電材料232の厚さは、概して、約0.5nmと約10nmとの間、例えば、約1nmと約5nmとの間(約1nm等)である。一態様では、SOI基板200のシリコンデバイス層は、例えば、基板を酸素又は水(H2O)に曝すことによって酸化され、それにより、誘電材料232が形成される。別の態様では、誘電材料232は、ALDによって堆積される。別の態様では、誘電材料232は、例えば、ALD、CVD、又はPVDによって金属層又は半導体層を堆積し、次いで、金属層又は半導体層を酸化し、誘電材料を形成することにより、形成される。図2Jの拡大部分である図2Kに示すように、開口228の中心における又はその中心の近傍の誘電材料232内に、シーム234が形成される。ここで、錐台形状エッチピット218の側壁236a、236bに形成された誘電材料232が合流している。シリコンデバイス層の酸化が使用される場合、例えば、開口228は、ケイ素(Si)が二酸化ケイ素(SiO2)に変換されるときの体積膨張によって閉じられる。シーム234は、誘電材料232におけるウイークポイント(weak point)である。
[0032]次いで、シーム234が利用され、良好に制御されたナノポア236が形成される。概して、シーム234を利用することには、シーム234を通して、基板200の上側の誘電材料232の上の上部接触子から、基板200の裏側の誘電材料232の上の底部接触子へと(又はその逆順に)電圧を印加することが含まれる。印加された電圧は、シーム234において酸化物の誘電破壊を誘起し、それにより、シーム234の位置において、良好に制御され、局所化され、且つ強固なナノポアが形成される。このナノポアは、概して、開口228の中心において又は中心の近傍に存在する。印加された電圧は、概して、例えば、誘電材料232の一部を劣化させることによって、誘電材料232の少なくとも一部を除去してナノポアを形成する。印加された電圧は、概して、誘電材料の破壊電圧よりも高い典型的な電圧を含む。例えば、SiO2の破壊電圧は、概して、材料1cmあたり約2メガボルト(MV)から約6MV、又は材料1nmあたり約200から600ミリボルト(mV)である。一態様では、電流がより長く印加されて膜をゆっくり破壊するよう、誘電材料の破壊電圧よりわずかに低い電圧が印加される。別の態様では、ナノポアが誘電材料を突き抜けるよう、誘電材料の破壊電圧を上回る電圧が印加される。
[0033]一態様では、図2Lに示すように、上部接触子248は、基板200の上側の第1の電解質内に配置され、下部接触子250は、基板200の裏側の第2の電解質内に配置される。一実施例では、上部接触子252及び/又は底部接触子254は、図2Mに示されるように、導電性タングステン(W)層である。さらなる態様では、上部接触子及び下部接触子は、1つ以上の金属又はこれらの組み合わせなどの任意の適切な導電性材料である。
[0034]シーム234を通して電圧が伝導されると、図2Nに示されるように、ナノポア240が、開口228の中心において又は中心の近傍に形成される。ナノポア240は、本明細書に開示される方法に従って形成されるので、ナノポア240のサイズ及び位置が良好に制御される。ナノポア240の良好に制御されたサイズとは、概して、特定のサイズの試料を配列決定するのに適した直径である。一態様では、ナノポア240のサイズは、約100nm以下である。一態様では、ナノポア240のサイズは、約0.5nmと約5nmとの間、例えば、約1nmと約3nmとの間(2nm等)である。別の態様では、ナノポア240のサイズは、約1.5nmと約1.8nmとの間、例えば、約1.6nmであり、これは、おおよそDNAの一本鎖のサイズである。別の態様では、ナノポア240のサイズは、約2nmと約3nmとの間、例えば、約2.8nmであり、これは、おおよそ2本鎖DNAのサイズである。ナノポア240の良好に制御された位置は、概して、1つ以上のナノポアの構成に適した、基板上の任意の位置である。一態様では、基板200は、図2Oに示すように、ナノポア240の配列を含む。本明細書に開示される方法は、概して、1つ以上のナノポア240のそれぞれの位置を制御するように使用され、これにより、配列決定又は他の処理に望まれる構成のナノポア配列が形成される。
[0035]タングステン層を使用する一態様では、配列決定のためのナノポア配列が形成されるように、タングステンは、概して、各ナノポアに指定可能であるようにパターン化される。別の態様では、電圧は、各フィーチャに連続的に印加され、配列決定のためのナノポア配列が形成される。
[0036]上記で開示したように、図2Aから2Oに示す段階は、概して、任意の適切な順序で実行される。一態様では、1つ以上のエッチングピット218が形成され、次いで、誘電材料232の薄層が、1つ以上のエッチングピット218の上に共形的に堆積される。次いで、1つ以上の裏背側トレンチ226が形成され、埋め込み酸化物層202が優先的に除去されることにより、フリースタンディング誘電体層が残る。次いで、電圧が誘電体材料232にわたって印加され、上記に開示されるように、1つ以上のナノポア240が形成される。
[0037]本態様では、共形誘電体材料232の厚さは、約0.5nmと約10nmとの間、例えば、約0.5nmと約5nmとの間、例えば、約1nmと約2nmとの間(約1nm等)である。誘電体材料232は、概して、SiO2と比べてエッチング速度が遅い任意の適切な誘電体材料である。好適な誘電体材料の例には、Al2O3、Y2O3、TiO2、及びSiNが含まれるが、これらに限定されない。SiO2のエッチング速度に対する、誘電体材料232のエッチング速度は、概して、約10:1より大きく、例えば、約100:1、例えば、約1,000:1、例えば、約10,000:1である。シームは、エッチピット218の底部の開口228の中心に形成されてもよく、又は形成されなくてもよい。しかしながら、ナノポア240が誘電体材料232のウィークポイントに形成されるように、電圧を誘電体材料232にわたってなお印加してもよい。
[0038]図3Aから3Cは、1つ以上のナノポアが、本明細書に開示される処理フローに従って、例えば、方法100の様々な段階で形成される、基板300の断面図を示す。図3A及び3Bに示される段階は、基板におけるナノポア形成の代替的な段階であり、図2Aから2Oに示され且つ上記に開示された様々な段階と置き換えてもよい。
[0039]図3Aから3Cに示される態様では、エッチング停止層350は、図3Aに示されるように、1つ以上のエッチングピット218の底部に配置される。エッチング停止層350により、KOHエッチングが、良好に制御された厚さで、エッチピット218の底部で停止する。エッチピット218の底部の、薄い露出したエッチング停止層層350において依然として開口228が存在する。次に、例えば、急速熱処理(rapid thermal processing:RTP)酸化によって、基板300を酸化し、良好に制御された酸化物層(誘電体材料232の層など)が形成され、図3Bに示すように、開口228が閉じられる。次いで、電圧が誘電体材料232にわたって印加され、エッチピット218の基部における開口228の領域内に誘電破壊が引き起こされ、図3Cに示されるように、開口228内にナノポア240が形成される。本態様によれば、シームは、誘電体材料232内に形成されてもよく、又は形成されなくてもよい。しかしながら、エッチピット218の基部における誘電体材料232のウィークポイントでの誘電破壊により、ナノポア240が依然として形成されるであろう。
[0040]エッチング停止層350は、本明細書に開示される処理フローの任意の適切な段階で、任意の適切な方法によって堆積される。一態様では、エッチング停止層350は、ドーパントをシリコンデバイス層に注入又は拡散し、SOI基板製造中にSOI基板の埋め込み酸化物層202と接触させることによって形成される。別の態様では、1つ以上の裏側トレンチ226が基板300の裏側に形成された後、且つ、1つ以上のエッチピット218が基板300内に形成される前に、エッチング停止層350は形成される。エッチング停止層の厚さは、10nm以下、例えば、2nm以下、例えば、1nm以下などの任意の適切な厚さである。エッチング停止層350は、概して、ホウ素(B)を含む任意の適切なドーパントを含むが、これに限定されない。
[0041]酸化の厚さは、約0.5nmから約10nm、例えば、約1nmから約5nm、例えば、約1nmなどの任意の適切な厚さである。
[0042]本開示の利点は、良好に制御されたナノポア及びナノポアのアレイを迅速に形成する能力を含み、これらは、概して、個々に指定可能である。開示された方法は、概して、薄膜メンブレンを通してサイズ及び位置が良好に制御されたナノポアを提供する。良好に制御されたサイズのナノポアを製造する方法により、信号対雑音比の改善がもたらされる。なぜなら、ナノポアのサイズは、ナノポアを通過するDNAの一本鎖などの試料のサイズに類似し、これにより、ナノポアを通過する電流の変化が増大するからである。さらに、良好に制御された位置を有するナノポアを製造する方法により、DNAなどの試料がナノポアを自由に通過することが可能になる。さらに、膜の薄さ(例えば、約1mm)により、DNA配列の改善された読み取りがもたされる。
[0043]以上の説明は本開示の態様を対象としているが、本開示の基本的な範囲を逸脱しなければ、本開示の他の態様及びさらなる態様が考案されてよく、本開示の範囲は、以下の特許請求の範囲によって決まる。