KR20200044996A - 기판에서의 포어 형성 - Google Patents

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KR20200044996A
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필립 앨런 크라우스
조셉 알. 존슨
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어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
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Abstract

잘 제어된 고체 상태 나노포어들 및 그의 어레이들을 제조하기 위한 방법들이 제공된다. 일 양상에서, 나노포어들 및 그의 어레이들을 제조하기 위한 방법들은 물리적 이음부를 활용한다. 하나 이상의 식각 피트는 기판의 상면측에 형성되고, 하나 이상의 식각 피트와 정렬되는 하나 이상의 트렌치는 기판의 후면측에 형성된다. 하나 이상의 식각 피트와 하나 이상의 트렌치 사이에 개구부가 형성된다. 그 다음, 개구부를 채우기 위해 기판 위에 유전체 물질이 형성된다. 그 다음, 접촉부들이 기판의 상면측 및 후면측 상에 배치되며, 나노포어를 형성하기 위해 유전체 물질을 통해 상면측으로부터 후면측으로 또는 그 반대로 전압이 인가된다. 다른 양상에서, 나노포어는 개구부의 중심에 또는 중심 근처에, 유전체 물질에 형성된 이음부에 형성된다.

Description

기판에서의 포어 형성
본원에 개시된 양상들은, 잘 제어된 고체 상태 나노포어들 및 잘 제어된 고체 상태 나노포어들의 어레이들을 기판에 제조하는 방법들에 관한 것이다.
나노포어들은 데옥시리보핵산(DNA) 및 리보핵산(RNA) 서열분석과 같은 응용들에 널리 사용된다. 일 예에서, 나노포어 서열분석은, 전도성 유체에 침지된 나노포어를 통해 미지의 샘플을 운송하는 단계, 및 나노포어에 걸쳐 전위를 인가하는 단계를 일반적으로 포함하는 전기 검출 방법을 사용하여 수행된다. 나노포어를 통한 이온들의 전도로 초래되는 전류가 측정된다. 나노포어 표면에 걸친 전류 밀도의 크기는, 나노포어 치수들 및 그 때에 나노포어를 점유하고 있는 샘플, 예컨대, DNA 또는 RNA의 조성에 따른다. 상이한 뉴클레오티드들은 나노포어 표면들에 걸친 전류 밀도의 특성 변화들을 야기한다. 이러한 전류 변화들이 측정되어, DNA 또는 RNA 샘플을 서열분석하는 데에 사용된다.
다양한 방법들이 생물학적 서열분석에 사용되었다. 합성에 의한 서열분석, 또는 2세대 서열분석은 어느 염기들이 DNA의 단일 가닥에 부착되었는지를 식별하는 데에 사용된다. 전체 DNA 가닥을 단일 포어에 통과시키는 것을 일반적으로 포함하는 3세대 서열분석은 DNA를 직접적으로 판독하는 데에 사용된다. 일부 서열분석 방법들은 DNA 또는 RNA 샘플이 절단되고 그 다음 재조립되는 것을 필요로 한다. 추가적으로, 일부 서열분석 방법들은 생물학적 멤브레인들 및 생물학적 포어들을 사용하는데, 이들은 저장 수명들을 가지며 사용 전에는 저온으로 유지되어야 한다.
질화규소 또는 산화규소와 같은 독립 멤브레인 상에 형성된 나노미터 크기의 포어들인 고체 상태 나노포어들이 최근에 서열분석에 사용되었다. 그러나, 현재의 고체 상태 나노포어 제조 방법들, 예컨대, 터널링 전자 현미경, 집속 이온 빔, 또는 전자 빔을 사용하는 것은 나노포어들의 어레이들을 제조하는데 필요한 크기 및 위치 제어 요건들을 쉽고 저렴하게 달성할 수 없다. 추가적으로, 현재의 나노포어 제조 방법들은 시간 소모적이다.
그러므로, 관련 기술분야에서는, 잘 제어된 고체 상태 나노포어 및 잘 제어된 고체 상태 나노포어들의 어레이들을 제조하는 개선된 방법들이 필요하다.
잘 제어된 고체 상태 나노포어들 및 잘 제어된 고체 상태 나노포어들의 어레이들을 제조하기 위한 방법들이 제공된다. 일 양상에서, 나노포어들 및 나노포어들의 어레이들을 제조하기 위한 방법들은 물리적 이음부를 활용한다. 하나 이상의 식각 피트는 기판의 상면측에 형성되고, 하나 이상의 식각 피트와 정렬되는 하나 이상의 트렌치는 기판의 후면측에 형성된다. 하나 이상의 식각 피트와 하나 이상의 트렌치 사이에 개구부가 형성된다. 그 다음, 개구부를 채우기 위해, 예를 들어, 산화 또는 원자 층 증착에 의해 기판 위에 유전체 물질이 형성된다. 그 다음, 접촉부들이 기판의 상면측 및 후면측 상에 배치되거나 형성되며, 나노포어를 형성하기 위해 유전체 물질을 통해 기판의 상면측으로부터 후면측으로 또는 그 반대로 전압이 인가된다. 다른 양상에서, 나노포어는 개구부의 중심에 또는 중심 근처에, 유전체 물질에 형성된 이음부에 형성된다.
일 양상에서, 나노포어를 형성하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 일반적으로, 상면측 상의 적어도 하나의 피쳐 및 상면측 상의 적어도 하나의 피쳐와 정렬된, 후면측 상의 적어도 하나의 피쳐, 및 상면측 상의 적어도 하나의 피쳐와 후면측 상의 적어도 하나의 피쳐 사이의 적어도 하나의 개구부를 갖는 기판을 제공하는 단계, 적어도 하나의 개구부를 채우기 위해 기판 위에 유전체 물질 ― 유전체 물질은 유전체 물질에 형성된 적어도 하나의 이음부를 가짐 ― 을 형성하는 단계, 및 적어도 하나의 나노포어를 형성하기 위해 적어도 하나의 이음부를 활용하는 단계를 포함한다.
다른 양상에서, 나노포어를 형성하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 일반적으로, 기판의 상면측 상에 식각 피트를 형성하는 단계, 기판의 후면측 상에 트렌치 ― 트렌치는 식각 피트와 정렬됨 ― 를 형성하는 단계, 식각 피트와 트렌치 사이에 개구부 ― 개구부는 식각 피트와 트렌치를 연결함 ― 를 형성하는 단계, 개구부를 채우기 위해 기판 위에 유전체 물질 ― 유전체 물질은 유전체 물질에 형성된 이음부를 가짐 ― 을 형성하는 단계, 및 나노포어를 형성하기 위해 이음부를 활용하는 단계를 포함한다.
또 다른 양상에서, 기판이 개시된다. 기판은 일반적으로, 기판의 상면측 상의 복수의 상면측 피쳐들, 기판의 후면측 상의 복수의 후면측 피쳐들 ― 상면측 상의 복수의 피쳐들 각각은 후면측 상의 복수의 피쳐들 각각에 정렬됨 ―, 복수의 상면측 피쳐들 각각을 복수의 후면측 피쳐들 각각에 연결하는 복수의 개구부들, 및 기판 위에 형성된 유전체 물질 ― 상면측 피쳐들 각각의 유전체 물질은 복수의 개구부들 중 각각의 개구부의 중심에 또는 중심 근처에 나노포어를 가짐 ― 을 포함한다.
또 다른 양상에서, 나노포어를 형성하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 일반적으로, 기판의 후면측 상에 트렌치를 형성하는 단계, 기판의 상면측 상에 식각 피트를 형성하는 단계 ― 식각 피트는 식각 정지 층 위에 형성되고, 식각 정지 층은 트렌치와 식각 피트 사이에 장벽을 형성함 ―, 장벽으로부터 유전체 물질을 형성하는 단계, 기판의 상면측 및 후면측 상에 하나 이상의 접촉부를 배치하는 단계, 및 나노포어를 형성하기 위해 유전체 물질을 통해 상면측 접촉부로부터 후면측 접촉부로 또는 그 반대로 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
또 다른 양상에서, 나노포어를 형성하기 위한 방법이 제공된다. 방법은 일반적으로, 상면측 상의 적어도 하나의 피쳐 및 상면측 상의 적어도 하나의 피쳐와 정렬된, 후면측 상의 적어도 하나의 피쳐, 및 상면측 상의 적어도 하나의 피쳐와 후면측 상의 적어도 하나의 피쳐 사이의 적어도 하나의 개구부를 갖는 기판을 제공하는 단계, 적어도 하나의 개구부를 채우기 위해 기판 위에 유전체 물질을 형성하는 단계, 및 적어도 하나의 나노포어를 형성하기 위해 유전체 물질을 통해 상면측으로부터 후면측으로 전압을 인가하는 단계를 포함한다.
본 개시내용의 위에서 언급된 특징들이 상세히 이해될 수 있도록, 위에 간략히 요약된 본 개시내용의 더 구체적인 설명이 양상들을 참조하여 이루어질 수 있으며, 이들 중 일부는 첨부 도면들에 예시되어 있다. 그러나, 첨부 도면들은 단지 예시적인 양상들만을 예시하고 그러므로 그의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 되며, 다른 동등하게 효과적인 양상들을 허용할 수 있다는 점에 주목해야 한다.
도 1은 본 개시내용에 따라 하나 이상의 나노포어를 형성하기 위한 방법의 프로세스 흐름이다.
도 2a-2o는, 본원에 개시된 프로세스 흐름의 다양한 스테이지들에서 하나 이상의 나노포어가 형성되는 기판의 단면도들을 도시한다.
도 3a-3c는, 본원에 개시된 다른 프로세스 흐름의 다양한 스테이지들에서 하나 이상의 나노포어가 형성되는 기판의 단면도들을 도시한다.
이해를 용이하게 하기 위해, 가능한 경우, 도면들에 공통된 동일한 요소들을 지시하는 데에 동일한 참조 번호들이 사용되었다. 일 양상의 요소들 및 특징들이 추가의 언급 없이 다른 양상들에 유익하게 통합될 수 있다는 것이 고려된다.
잘 제어된 고체 상태 나노포어들 및 잘 제어된 고체 상태 나노포어들의 어레이들을 제조하기 위한 방법들이 제공된다. 일 양상에서, 나노포어들 및 나노포어들의 어레이들을 제조하기 위한 방법들은 물리적 이음부를 활용한다. 하나 이상의 식각 피트는 기판의 상면측에 형성되고, 하나 이상의 식각 피트와 정렬되는 하나 이상의 트렌치는 기판의 후면측에 형성된다. 하나 이상의 식각 피트와 하나 이상의 트렌치 사이에 개구부가 형성된다. 그 다음, 개구부를 채우기 위해, 예를 들어, 산화 또는 원자 층 증착에 의해 기판 위에 유전체 물질이 형성된다. 그 다음, 접촉부들이 기판의 상면측 및 후면측 상에 배치되거나 형성되며, 나노포어를 형성하기 위해 유전체 물질을 통해 기판의 상면측으로부터 후면측으로 또는 그 반대로 전압이 인가된다. 다른 양상에서, 나노포어는 개구부의 중심에 또는 중심 근처에, 유전체 물질에 형성된 이음부에 형성된다.
본원에 개시된 방법들은 예로서 반도체 기판 상의 고체 상태 나노포어들의 형성을 언급한다. 또한, 개시된 방법들은 고체 상태 및 생물학적 물질들을 포함하는 다양한 물질들 상에 다른 포어형 구조들을 형성하는 데에 유용하다는 점이 고려된다. 본원에 개시된 방법들은 또한, 예로서 절두체 형상의(frustum-shaped) 식각 피트들 및 트렌치들의 형성을 언급하지만; 다른 식각된 피쳐들 및 이들의 임의의 조합들이 또한 고려된다. 예시의 목적들을 위해, 산화규소 유전체 층을 갖는 절연체상 규소(SOI) 기판이 설명되지만; 임의의 적합한 기판 물질들 및 유전체 물질들이 또한 고려된다. 추가적으로, 본원에 개시된 방법들은 기판의 상면측 및 후면측을 언급한다. 상면측 및 후면측은 일반적으로, 기판의 대향 측들을 지칭하고, 반드시 상방 또는 하방 배향을 필요로 하는 것은 아니다. 이로써, 본원에 설명된 방법들이 또한, 수직 멤브레인 상의 이음부를 활용함으로써 수직 멤브레인을 통해 나노포어를 형성하는 데에 유용하다는 것이 고려된다. 추가적으로, 본원에 개시된 방법들은 일반적으로, 이음부를 활용하는 것을 언급하지만, 개시된 방법들은 나노포어를 형성하기 위해 갭을 활용하는 데에 유용하다는 것이 또한 고려된다.
도 1은 본 개시내용에 따라 하나 이상의 나노포어를 형성하기 위한 방법(100)의 프로세스 흐름이다.
방법(100) 이전에, 기판이 제공된다. 기판은 일반적으로, 임의의 적합한 반도체 기판, 예컨대, 도핑된 또는 도핑되지 않은 규소(Si) 기판이다. 방법(100)은, 작동(110)에서, 기판의 상면측에 하나 이상의 식각 피트를 형성함으로써 시작한다. 작동(120)에서, 기판의 상면측의 하나 이상의 식각 피트와 정렬되는 하나 이상의 트렌치가 기판의 후면측에 형성된다. 작동(130)에서, 하나 이상의 식각 피트와 하나 이상의 트렌치 각각의 사이에 개구부가 형성된다. 작동(140)에서, 개구부를 채우고 개구부의 중심에 또는 중심 근처에 이음부를 형성하기 위해 유전체 물질이 기판 위에 형성된다. 이음부는 일반적으로, 측벽들 각각 상에 형성된 유전체 물질의 교차점에 형성된다. 작동(150)에서, 이음부를 개방하고 잘 제어된 나노포어를 형성하기 위해, 기판의 상면측으로부터 후면측으로 또는 그 반대로 전압을 인가함으로써 나노포어를 형성하기 위해서 이음부가 활용된다.
일 양상에서, 작동(140) 및 작동(150)은, 기판에 개구부를 갖는 이미 처리된 기판에 대해 수행되는 독립형 프로세스들의 일부이다.
작동(120), 작동(130), 및 작동(140)은 일반적으로, 임의의 적합한 순서로 수행된다. 일 양상에서, 작동(120)에서 기판의 후면측에 하나 이상의 트렌치를 형성하는 단계는, 작동(110)에서 기판의 상면측에 하나 이상의 식각 피트를 형성하기 전에 일어나고, 작동(140)에서 유전체 물질을 증착시키는 단계는 일반적으로, 방법(100)의 임의의 적합한 스테이지에서 수행된다.
일 양상에서, 기판은 개구부를 채우기 위해 산화되고, 하나 이상의 식각 피트 각각에서의 개구부의 중심에 또는 중심 근처에 이음부가 형성된다. 다른 양상에서, 유전체 물질이 기판 위에 증착되고, 하나 이상의 식각 피트 각각에서의 개구부의 중심에 또는 중심 근처에 이음부가 형성된다. 유전체 물질은 원자 층 증착(ALD), 물리 기상 증착(PVD), 또는 화학 기상 증착(CVD)을 포함하는(그러나 이에 제한되지 않음) 임의의 적합한 증착 방법들에 의해 일반적으로 증착된다. 추가적으로, 일부 예들은 증착된 유전체 물질에서의 이음부의 형성을 포함하지만, 유전체 물질은 이음부를 갖지 않으며 유전체 분해를 야기하기에 충분한 전압으로 유전체 물질에 걸쳐 전압을 인가하는 것이 유전체 물질 내에 나노포어를 형성할 것이라는 점이 또한 고려된다.
다른 양상에서, 방법(100)은, 예를 들어, 기판을 산화시키거나 유전체 물질을 증착시키기 전에, 기판의 상면측의 하나 이상의 식각 피트의 바닥에 식각 정지 층을 형성하는 단계를 더 포함한다.
도 2a-2o는, 방법(100)의 다양한 스테이지들에서와 같이, 본원에 개시된 방법에 따라 하나 이상의 나노포어가 형성되는 기판(200)의 단면도들을 도시한다. 도 2a-2o가 특정 순서로 도시되지만, 도 2a-2o에 도시된 방법(100)의 다양한 스테이지들이 임의의 적합한 순서로 수행되는 것이 또한 고려된다.
도 2a에 도시된 바와 같이, 상면측 하드 마스크(210)는 기판(200)의 상면측 위에 배치되고, 상면측 바닥 반사 방지 코팅(BARC) 층(212)은 상면측 하드 마스크(210) 위에 배치되고, 상면측 포토레지스트(214)는 상면측 BARC 층(212) 위에 배치된다. 그 다음, 하나 이상의 트렌치(216)를 상면측 하드 마스크(210) 및 상면측 BARC 층(212)에 형성하기 위해 상면측 패터닝 프로세스가 수행된다. 일반적으로, 상면측 패터닝 프로세스는 도 2b에 도시된 바와 같이 상면측 포토레지스트(214)를 패터닝하고, 그 다음, 도 2c에 도시된 바와 같이, 예를 들어, 반응성 이온 식각(RIE)에 의해, 마스킹되지 않은 상면측 하드 마스크(210) 및 상면측 BARC 층(212)을 식각하는 것을 포함한다. 상면측 포토레지스트(214)는 선택적으로 제거된다. 그 다음, 도 2d에 도시된 바와 같이, 기판(200)에 하나 이상의 절두체 형상의 식각 피트(218)를 형성하기 위해, 상면측 식각 프로세스, 예컨대, KOH 식각 또는 다른 적합한 식각 프로세스가 수행된다. 다른 적합한 식각 프로세스들은 이방성 식각 프로세스들을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다.
그 다음, 기판(200)은 후면측 처리를 위해 뒤집힌다. 도 2e에 도시된 바와 같이, 후면측 하드 마스크(220)는 기판(200)의 후면측 위에 증착되고, 후면측 BARC 층(222)은 후면측 하드 마스크(220) 위에 증착되고, 후면측 포토레지스트(224)는 후면측 BARC 층(222) 위에 증착된다. 그 다음, 하나 이상의 후면측 트렌치(226)를 후면측 하드 마스크(220) 및 후면측 BARC 층(222)에 형성하기 위해 후면측 패터닝 프로세스가 수행된다. 일반적으로, 후면측 패터닝 프로세스는 도 2f에 도시된 바와 같이 후면측 포토레지스트(224)를 패터닝하고, 그 다음, 도 2g에 도시된 바와 같이, 하나 또는 후면측 트렌치들(226)을 형성하기 위해, 마스킹되지 않은 후면측 하드 마스크(220), 후면측 BARC 층(222), 및 기판(200)의 부분을 식각하는 것을 포함한다. 스핀 코팅된 후면측 포토레지스트(224)는 선택적으로 제거된다.
도 2a-2o의 양상에서, 기판(200)은 기판에 매립 산화물 층(202) ― 매립 산화물 층은 예로서 150 나노미터(nm)의 Si 디바이스 층(230)을 상면측 상에 가짐 ― 을 갖는 SOI 기판이지만; 임의의 적합한 기판 또는 SOI 기판이 또한 고려된다. 상면측 하드 마스크(210)는 저압 화학 기상 증착(LPCVD) 질화물이고, 상면측 포토레지스트(214)는 스핀 코팅된 포토레지스트이다. 하나 이상의 절두체 형상의 식각 피트(218)는 일반적으로, 기판의 크기에 기초한 임의의 적합한 크기이다. 예를 들어, 상면측 상에 150 nm Si 디바이스 층을 갖는 SOI 기판이 사용되는 양상에서, 하나 이상의 절두체 형상의 식각 피트(218)는, 5 밀리미터(mm) 피치로 이격된 212 나노미터(nm) x 212 nm의 정사각형 개구부들이다. KOH 식각은 일반적으로, 약 54.7 도의 각도로 Si를 식각한다. 이에 따라, 미리 결정된 기간 동안 SOI 기판(200)에 대해 상면측 KOH 식각이 수행될 때, 하나 이상의 절두체 형상의 식각 피트(218)는 일반적으로, 매립 산화물 층(202) 상에 있고 그와 접촉하는, 절두체 형상의 식각 피트(218)의 선단으로 종결된다. 미리 결정된 기간은 일반적으로, 마스크 개구부에 대한 측방향 식각을 감소시키거나 제거하도록 결정된다. 일반적으로, 도 2i에 도시된, Si의 <100> 평면(229)은 H2O에서의 KOH의 농도 및 용액의 온도에 대응하는 속도로 식각될 것이다. 대부분의 시나리오들의 경우, KOH는 약 0.4 nm/s 내지 약 20 nm/s의 속도로 Si의 <100> 평면을 식각할 것이다. 속도는 용액을 냉각 또는 가열함으로써 가속되거나 지연될 수 있다.
후면측 포토레지스트(224)를 패터닝하는 것은, 하나 이상의 절두체 형상의 식각 피트(218)와 정렬되는, 임의의 적합한 크기 및 형상의 개구부들의 패턴을 형성하는 것을 포함한다. 예를 들어, 위에서 논의된 바와 같이, 상면측 상에 150 nm Si 디바이스 층을 갖는 SOI 기판이 사용되는 양상에서, 후면측 포토레지스트(224)는, 기판(200)의 상면측 상의 하나 이상의 절두체 형상의 식각 피트(218)와 정렬되는, 5 mm 피치의 100 마이크로미터(㎛) x 100 ㎛ 정사각형 개구부들로 패터닝된다. 일 양상에서, 그 다음, 깊은 반응성 이온 식각(DRIE)이 하나 이상의 후면측 트렌치(226)를 형성하는 데에 사용된다. 하나 이상의 후면측 트렌치(226)는, 도 2g에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 후면측 트렌치(226) 각각의 바닥이 매립 산화물 층(202)의 최상부에 대응하도록, 매립 산화물 층(202)의 후면측 표면까지 하방 식각된다. 그 다음, 도 2h의 확대되고 반전된 부분인 도 2i에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 후면측 트렌치(226) 각각의 바닥이 디바이스 층(230) 상에 있고 그와 접촉하도록 그리고 하나 이상의 절두체 형상의 식각 피트(218)의 선단에 개구부(228)가 형성되도록, 국부 제거 프로세스, 예컨대, 플루오린화수소산(HF) 액침이 하나 이상의 후면측 트렌치(226)의 매립 산화물 층(202)을 제거하는 데에 사용된다. 추가의 양상들에서, 습식 식각 프로세스들이 하나 이상의 후면측 트렌치(226)를 형성하는 데에 사용된다.
일반적으로, 개구부(228)의 크기는, 식각 프로세스들 동안 화학물질, 온도, 농도 구배들, 및 부산물 제거 구배들을 제어하는 것에 의해 제어된다. 일 양상에서, 개구부는 약 5 nm x 5 nm 내지 약 10 nm x 10 nm이다. 개구부의 크기는 일반적으로, 주사 전자 현미경(SEM) 또는 투과 전자 현미경(TEM)을 사용하여 측정된다.
그 다음, 도 2j에 도시된 바와 같이, 개구부(228)를 채우기 위해 기판(200) 위에 유전체 물질(232)이 형성된다. 유전체 물질(232)의 두께는 일반적으로, 약 0.5 nm 내지 약 10 nm, 예를 들어, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 예컨대, 약 1 nm이다. 일 양상에서, SOI 기판(200)의 규소 디바이스 층은 유전체 물질(232)을 형성하기 위해, 예를 들어, 기판을 산소 또는 물(H2O)에 노출시키는 것에 의해 산화된다. 다른 양상에서, 유전체 물질(232)은 ALD에 의해 증착된다. 다른 양상에서, 유전체 물질(232)은, 예를 들어 ALD, CVD 또는 PVD에 의해 금속 또는 반도체 층을 증착시키고, 그 다음, 유전체 물질을 형성하기 위해 금속 또는 반도체 층을 산화시키는 것에 의해 형성된다. 도 2j의 확대된 부분인 도 2k에 도시된 바와 같이, 개구부(228)의 중심에 또는 중심 근처에 유전체 물질(232)에 이음부(234)가 형성되며, 여기서, 절두체 형상의 식각 피트(218)의 측벽들(236a, 236b) 상에 형성된 유전체 물질(232)이 합쳐진다. 규소 디바이스 층의 산화가 사용될 때, 예를 들어, 규소(Si)가 이산화규소(SiO2)로 변환될 때, 개구부(228)는 체적 팽창에 의해 폐쇄된다. 이음부(234)는 유전체 물질(232)의 약한 지점이다.
그 다음, 이음부(234)는 잘 제어된 나노포어(236)를 형성하기 위해 활용된다. 일반적으로, 이음부(234)를 활용하는 것은, 이음부(234)를 통해, 기판(200)의 상면측 상의 유전체 물질(232) 위의 최상부 접촉부로부터 기판(200)의 후면측 상의 유전체 물질(232) 위의 바닥 접촉부로 또는 그 반대로 전압을 인가하는 것을 포함한다. 인가된 전압은 이음부(234)에서 산화물의 유전체 분해를 유도하여, 일반적으로 개구부(228)의 중심 또는 중심 근처인, 이음부(234)의 위치에, 잘 제어되고 국소화되고 강건한 나노포어를 형성한다. 인가된 전압은 일반적으로, 예를 들어, 유전체 물질(232)의 부분을 열화시킴으로써 나노포어를 형성하기 위해, 유전체 물질(232)의 적어도 부분을 제거한다. 인가된 전압은 일반적으로, 유전체 물질의 항복 전압보다 높은 전형적인 전압들을 포함한다. 예를 들어, SiO2의 항복 전압은 일반적으로, 물질의, 약 2 메가볼트(MV)/cm 내지 약 6 MV/cm, 또는 약 200 내지 600 밀리볼트(mV)/nm이다. 일 양상에서, 인가된 전압은 유전체 물질의 항복 전압보다 약간 아래이고, 전류는 멤브레인을 천천히 분해하기 위해 더 길게 인가된다. 다른 양상에서, 인가된 전압은, 나노포어가 유전체 물질을 통해 블라스팅되도록, 유전체 물질의 항복 전압보다 높다.
일 양상에서, 도 2l에 도시된 바와 같이, 최상부 접촉부(248)는 기판(200)의 상면측 상의 제1 전해질에 배치되고, 바닥 접촉부(250)는 기판(200)의 후면측 상의 제2 전해질에 배치된다. 일 예에서, 최상부 접촉부(252) 및/또는 바닥 접촉부(254)는, 도 2m에 도시된 바와 같이, 전도성 텅스텐(W) 층이다. 추가의 양상들에서, 최상부 및 바닥 접촉부들은 임의의 적합한 전도성 물질, 예컨대, 하나 이상의 금속 또는 이들의 조합들이다.
일단 전압이 이음부(234)를 통해 전도되면, 나노포어(240)는, 도 2n에 도시된 바와 같이, 개구부(228)의 중심에 또는 중심 근처에 형성된다. 본원에 개시된 방법들에 따라 나노포어(240)가 형성되었기 때문에, 나노포어(240)의 크기 및 위치는 잘 제어된다. 나노포어(240)의 잘 제어된 크기는 일반적으로, 특정 크기의 샘플을 서열분석하기에 적합한 직경이다. 일 양상에서, 나노포어(240)의 크기는 약 100 nm 이하이다. 일 양상에서, 나노포어(240)의 크기는 약 0.5 nm 내지 약 5 nm, 예를 들어, 약 1 nm 내지 약 3 nm, 예컨대, 2 nm이다. 다른 양상에서, 나노포어(240)의 크기는 약 1.5 nm 내지 약 1.8 nm, 예컨대, 약 1.6 nm이고, 이는 대략, DNA의 단일 가닥의 크기이다. 다른 양상에서, 나노포어(240)의 크기는 약 2 nm 내지 약 3 nm, 예컨대, 약 2.8 nm이고, 이는 대략, 이중 가닥 DNA의 크기이다. 나노포어(240)의 잘 제어된 위치는 일반적으로, 하나 이상의 나노포어의 구성에 적합한, 기판 상의 임의의 위치이다. 일 양상에서, 기판(200)은, 도 2o에 도시된 바와 같이, 나노포어들(240)의 어레이를 포함한다. 본원에 개시된 방법들은 일반적으로, 서열분석 또는 다른 프로세스들을 위한 원하는 구성의 나노포어 어레이가 형성되도록, 하나 이상의 나노포어(240) 각각의 위치를 제어하는 데에 사용된다.
텅스텐 층을 사용하는 일 양상에서, 텅스텐은 일반적으로, 서열분석을 위한 나노포어들의 어레이가 형성되도록 각각의 나노포어에 어드레싱가능하게 패터닝된다. 다른 양상에서, 전압은 서열분석을 위한 나노포어들의 어레이를 형성하기 위해 각각의 피쳐에 순차적으로 인가된다.
위에서 개시된 바와 같이, 도 2a-2o에 도시된 스테이지들은 일반적으로, 임의의 적합한 순서로 수행된다. 일 양상에서, 하나 이상의 식각 피트(218)가 형성되고, 그 다음, 유전체 물질(232)의 얇은 층이 하나 이상의 식각 피트(218) 위에 등각으로 증착된다. 그 다음, 하나 이상의 후면측 트렌치(226)가 형성되며, 독립 유전체 층이 남아있도록 매립 산화물 층(202)이 우선적으로 제거된다. 그 다음, 위에 개시된 바와 같이, 하나 이상의 나노포어(240)를 형성하기 위해 유전체 물질(232)에 걸쳐 전압이 인가된다.
이 양상에서, 등각 유전체 물질(232)의 두께는, 약 0.5 nm 내지 약 10 nm, 예를 들어, 약 0.5 nm 내지 약 5 nm, 예를 들어, 약 1 nm 내지 약 2 nm, 예컨대, 약 1 nm이다. 유전체 물질(232)은 일반적으로, SiO2에 비해 낮은 식각 속도를 갖는 임의의 적합한 유전체 물질이다. 적합한 유전체 물질들의 예들은 Al2O3, Y2O3, TiO2, 및 SiN을 포함하지만, 이에 제한되지 않는다. SiO2의 식각 속도와 비교해 유전체 물질(232)의 식각 속도는 일반적으로, 약 10:1 초과, 예를 들어, 약 100:1, 예를 들어, 약 1,000:1, 예를 들어, 약 10,000:1이다. 이음부는 식각 피트(218)의 바닥에 개구부(228)의 중심에 형성될 수 있거나 형성되지 않을 수 있다. 그러나, 나노포어(240)가 유전체 물질(232)의 약한 지점에 형성되도록 전압은 여전히 유전체 물질(232)에 걸쳐 인가될 수 있다.
도 3a-3c는, 방법(100)의 다양한 스테이지들에서와 같이, 본원에 개시된 프로세스 흐름에 따라 하나 이상의 나노포어가 형성되는 기판(300)의 단면도들을 도시한다. 도 3a-3b에 도시된 스테이지들은 기판에서의 나노포어 형성의 대안적인 스테이지들이며, 도 2a-2o에 도시되고 위에서 개시된 다양한 스테이지들로 대체될 수 있다.
도 3a-3c에 도시된 양상에서, 식각 정지 층(350)은, 도 3a에 도시된 바와 같이, 하나 이상의 식각 피트(218)의 바닥에 배치된다. 식각 정지 층(350)은 KOH 식각이, 잘 제어된 두께로, 식각 피트(218)의 바닥에서 정지하게 한다. 얇은 노출된 식각 정지 층(350)에 식각 피트(218)의 바닥에 개구부(228)가 여전히 존재한다. 그 다음, 도 3b에 도시된 바와 같이, 개구부(228)를 폐쇄하기 위해, 잘 제어된 산화물 층, 예컨대, 유전체 물질(232)의 층을 형성하기 위해서, 예를 들어, 급속 열 처리(RTP) 산화에 의해 기판(300)이 산화된다. 그 다음, 전압이 유전체 물질(232)에 걸쳐 인가되어, 도 3c에 도시된 바와 같이, 나노포어(240)가 개구부(228) 내에 형성되도록, 식각 피트(218)의 베이스의 개구부(228)의 영역 내에 유전체 분해를 야기한다. 이 양상에 따르면, 이음부가 유전체 물질(232)에 형성될 수 있거나 형성되지 않을 수 있지만; 식각 피트(218)의 베이스의 유전체 물질(232)의 약한 지점에서의 유전체 분해는 여전히 나노포어(240)를 형성할 것이다.
식각 정지 층(350)은 본원에 개시된 프로세스 흐름들의 임의의 적합한 스테이지에서 임의의 적합한 방법에 의해 증착된다. 일 양상에서, 식각 정지 층(350)은 규소 디바이스 층 내에 도펀트들을 주입 또는 확산시키는 것에 의해 형성되고 SOI 기판 제조 동안 SOI 기판의 매립 산화물 층(202)과 접촉한다. 다른 양상에서, 식각 정지 층(350)은, 하나 이상의 후면측 트렌치(226)가 기판(300)의 후면측에 형성된 후에 그리고 기판(300)에서의 하나 이상의 식각 피트(218)의 형성 이전에 형성된다. 식각 정지 층의 두께는 임의의 적합한 두께, 예컨대, 10 nm 이하, 예를 들어, 2 nm 이하, 예를 들어, 1 nm 이하이다. 식각 정지 층(350)은 일반적으로, 붕소(B)를 포함하는(그러나 이에 제한되지 않음) 임의의 적합한 도펀트를 포함한다.
산화의 두께는 임의의 적합한 두께, 예컨대, 약 0.5 nm 내지 약 10 nm, 예를 들어, 약 1 nm 내지 약 5 nm, 예를 들어, 약 1 nm이다.
본 개시내용의 이점들은, 일반적으로 개별적으로 어드레싱가능한, 잘 제어된 나노포어들 및 나노포어 어레이들을 신속하게 형성하는 능력을 포함한다. 개시된 방법들은 일반적으로, 박막 멤브레인을 통한, 크기 및 위치가 잘 제어된 나노포어들을 제공한다. 잘 제어된 크기의 나노포어들을 제조하는 방법들은 개선된 신호 대 잡음비들을 제공하는데, 이는 나노포어의 크기가, 나노포어를 통해 전달되고 있는 샘플, 예컨대, DNA의 단일 가닥의 크기와 유사하기 때문이며, 이는 나노포어를 통과하는 전류의 변화를 증가시킨다. 추가적으로, 잘 제어된 위치들을 갖는 나노포어들을 제조하는 방법들은 샘플, 예컨대, DNA가 나노포어를 자유롭게 통과하는 것을 가능하게 한다. 추가적으로, 예를 들어, 약 1 mm인 멤브레인의 얇음은 DNA 서열의 개선된 판독을 제공한다.
전술한 내용은 본 개시내용의 양상들에 관한 것이지만, 본 개시내용의 다른 및 추가적인 양상들은 그의 기본 범위로부터 벗어나지 않고 안출될 수 있으며, 그의 범위는 이하의 청구항들에 의해 결정된다.

Claims (15)

  1. 나노포어를 형성하기 위한 방법으로서,
    상면측 상의 적어도 하나의 피쳐 및 상기 상면측 상의 상기 적어도 하나의 피쳐와 정렬된, 후면측 상의 적어도 하나의 피쳐, 및 상기 상면측 상의 상기 적어도 하나의 피쳐와 상기 후면측 상의 상기 적어도 하나의 피쳐 사이의 적어도 하나의 개구부를 갖는 기판을 제공하는 단계;
    상기 적어도 하나의 개구부를 채우기 위해 상기 기판 위에 유전체 물질을 형성하는 단계 ― 상기 유전체 물질은 상기 유전체 물질에 형성된 적어도 하나의 이음부 또는 갭을 가짐 ―; 및
    적어도 하나의 나노포어를 형성하기 위해 상기 적어도 하나의 이음부 또는 갭을 활용하는 단계를 포함하는, 나노포어를 형성하기 위한 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 개구부를 채우기 위해 상기 기판 위에 유전체 물질을 형성하는 단계는:
    상기 기판을 산화시키는 것을 포함하는, 나노포어를 형성하기 위한 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 개구부를 채우기 위해 상기 기판 위에 유전체 물질을 형성하는 단계는:
    원자 층 증착, 물리 기상 증착, 또는 화학 기상 증착에 의해 상기 기판 위에 유전체 물질을 증착시키는 것을 포함하는, 나노포어를 형성하기 위한 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 나노포어를 형성하기 위해 상기 적어도 하나의 이음부 또는 갭을 활용하는 단계는:
    상기 기판의 상기 상면측 위에 최상부 접촉부를 배치하는 것;
    상기 기판의 상기 후면측 위에 바닥 접촉부를 배치하는 것; 및
    상기 최상부 접촉부로부터 상기 바닥 접촉부로 상기 적어도 하나의 이음부 또는 갭에 걸쳐 전압을 인가하는 것을 포함하는, 나노포어를 형성하기 위한 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    제1 전해질이 상기 기판의 상기 상면측 위에 배치되고 제2 전해질이 상기 기판의 상기 후면측 위에 배치되며, 상기 최상부 접촉부는 상기 제1 전해질에 배치되고 상기 바닥 접촉부는 상기 제2 전해질에 배치되는, 나노포어를 형성하기 위한 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 나노포어는 상기 적어도 하나의 개구부의 중심에 또는 중심 근처에 형성되는, 나노포어를 형성하기 위한 방법.
  7. 나노포어를 형성하기 위한 방법으로서,
    기판의 상면측 상에 식각 피트를 형성하는 단계;
    상기 기판의 후면측 상에 트렌치를 형성하는 단계 ― 상기 트렌치는 상기 식각 피트와 정렬됨 ―;
    상기 식각 피트와 상기 트렌치 사이에 개구부를 형성하는 단계 ― 상기 개구부는 상기 식각 피트와 상기 트렌치를 연결함 ―;
    상기 개구부를 채우기 위해 상기 기판 위에 유전체 물질을 형성하는 단계 ― 상기 유전체 물질은 상기 유전체 물질에 형성된 이음부 또는 갭을 가짐 ―; 및
    나노포어를 형성하기 위해 상기 이음부 또는 갭을 활용하는 단계를 포함하는, 나노포어를 형성하기 위한 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 개구부를 채우기 위해 상기 기판 위에 유전체 물질을 형성하는 단계는:
    상기 기판을 산화시키는 것을 포함하는, 나노포어를 형성하기 위한 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 개구부를 채우기 위해 상기 기판 위에 유전체 물질을 형성하는 단계는:
    원자 층 증착, 물리 기상 증착, 또는 화학 기상 증착에 의해 상기 기판 위에 유전체 물질을 증착시키는 것을 포함하는, 나노포어를 형성하기 위한 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 나노포어를 형성하기 위해 상기 이음부 또는 갭을 활용하는 단계는:
    상기 기판의 상기 상면측 위에 최상부 접촉부를 배치하는 것;
    상기 기판의 상기 후면측 위에 바닥 접촉부를 배치하는 것; 및
    상기 최상부 접촉부로부터 상기 바닥 접촉부로 상기 이음부 또는 갭에 걸쳐 전압을 인가하는 것을 포함하는, 나노포어를 형성하기 위한 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    제1 전해질이 상기 기판의 상기 상면측 위에 배치되고 제2 전해질이 상기 기판의 상기 후면측 위에 배치되며, 상기 최상부 접촉부는 상기 제1 전해질에 배치되고 상기 바닥 접촉부는 상기 제2 전해질에 배치되는, 나노포어를 형성하기 위한 방법.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 이음부 또는 갭은 상기 형성된 유전체 물질의 제1 부분과 상기 형성된 유전체 물질의 제2 부분 사이에 형성되는, 나노포어를 형성하기 위한 방법.
  13. 기판으로서,
    상기 기판의 상면측 상의 복수의 상면측 피쳐들;
    상기 기판의 후면측 상의 복수의 후면측 피쳐들 ― 상기 복수의 상면측 피쳐들 각각은 상기 복수의 후면측 피쳐들 각각에 정렬됨 ―;
    상기 복수의 상면측 피쳐들 각각을 상기 복수의 후면측 피쳐들 각각에 연결하는 복수의 개구부들; 및
    상기 기판 위에 형성된 유전체 물질 ― 상기 상면측 피쳐들 각각의 상기 유전체 물질은 상기 복수의 개구부들 중 각각의 개구부의 중심에 또는 중심 근처에 나노포어를 가짐 ― 을 포함하는, 기판.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 나노포어의 직경은 100 나노미터 이하인, 기판.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 복수의 상면측 피쳐들은 절두체 형상의 식각 피트들이고, 상기 복수의 후면측 피쳐들은 트렌치들 또는 절두체 형상의 식각 피트들인, 기판.
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